Fibra óptica sua conceituação, regras de construção e aplicações no cotidiano

FIBRA ÓPTICA

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SUA CONCEITUAÇÃO,

REGRAS

DE^;

...

COTIDIANO

* TRABALHO APRESENTADO A FACULDA~E

DE'

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FISICA UNIVERSIDADE DO BRASIL

o,,

....

COMO

PARTE DOS REQUISITOS PARA*='

OBTENÇÃO

DO GRAU DE LICENCIATURA

PLENA

EM FISICA 3 v , . ,

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ORIENTADORA:

LIGIA

DE FARIAS

MOREG,

,,._ .e...4 . -L h 3- 9 Abril de 2002

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1.F. U.F.SJ. , ' * I <

B ~ B L I O T E C A

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Agradecimentos

Em

primeiro

lugar

a

Deus

que

tem

me

dado

saúde

e

força

para

desbravar

todos

os

caminhos

e

conseguir

vencer

todos

os

obstáculos

apresentados

durante

o

caminhar.

Agradeço

aos

mestres

que

contribuíram

de forma direta na

minha

formação tanto profissional

como

humana.

Estendo os agradecimentos

aos

familiares que a

todo o momento

me

apoiavam

e

me forneciam

o

amor

e

a

compreensão

necessários

para

qualquer tarefa

a

ser

realizada

em

minha

vida.

Aos

amigos

que

com

o

bom humor

e garra

fneram os

dias,

ou

melhor,

as noites mais

agradáveis.

Em

particular,

a

minha

orientadora

que de

forma

singular

direcionou

o

meu trabalho.

P r\ r\ 1 .

n

t"' P. ri

n

f- i-

n

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h fl. r\ t -f' f i t- i-!

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r-, c4, h rCI r? n n

-

n - 2. METODOLOGIA - -\ !

A esqui foi feita com alunos do turno diurno regular da 2" série do Ensino Médio e também

%i?.

com unos do noturno supletivo do 3" período. O presente estudo foi proposto a esses alunos, uma vez que, estes conceitos de óptica figuram nos seus planejamentos. A Reflexão e a Refiação foram trabalhadas de maneira tradicional, o tema "fibra óptica" foi apenas niencionado. Nenhum aluno mostrou curiosidade, embora este assunto seja divulgado constantemente pela mídia. Depois do conteúdo de refiação ter sido explicado, um questionário foi entregue, para ser respondido pelos alunos. (Anexo L D g posse d a s 7 respostas, foi possível diagnosticar que além dos alunos não saberem w b r e fibra ó~tica, a falta de interesse dos mesmos comr>rovava a&m&taenacão em relacão ab

b

meio em que vivem.

Uma aula foi elaborada para rmação. Esta aula foi divididaA em três etapas. Começamos com u história da fibra óptica, onde revistas e textos foram apresentado experiências foram realizadas, onde os alunos puderam conhecer o seu comportamento. A seguir,

os alunos foram incentivados a explicar o feno estavam observando. A medida

que as idéias foram surgindo, a teoria foi no oduzida. A partir daí, foi iniciada a terceira etapa mostrando onde a fibra óptica quais as suas vantagens. Os alunos foram estimulados a buscarem

Esta aula foi transportad a a um texto direcionado a professores do Ensino médio (

3. FASE

DIAGNÓSTICA,

Como foi dito anteriormente, os alunos tiveram aula tradicional sobre de reflexão e refiação sem grande participação. Nos pareceu que fibra conhecida de todos, uma vez

casual de um aluno nos levou

e passado aos alunos da segunda série diurno e supletivo noturno do terceir~/~&í~do, ao todo 87 alunos.

Das respostas obtidas no questionário pudemos tirar várias conclusõ

1

s,p&m-dm

e

J Grande parte dos alunos conhece a fibra óptica através da divulgação a &dia+ J Eles não detêm o conhecimento do princípio de funcionamento da fibr óptica;

J A grande maioria dos alunos não conhece outras aplicações de fibras ' pticas; Eles não sabem fazer distinção entre Física Contemporânea e a Física oderna. Obs: As tabelas correspondem ao número de alunos que responderam a questões e os gráficos representam a i tabelas em forma percentual, Para uma melhor

resultados.

Tabela 1

Tabela 2

I

-

OUESTAO 2- Você sabe como fiuiciona urna fibra ó~tica?

Tabela 3

QUESTÃO 3 - Você poderia citar algum exemplo do uso da

fibra óptica? Qual?

SIM r 15

-

NA0 72 TELEFONIA 68 ",

QUESTAO 4- Você poderia citar algum outro exemplo do uso da fibra óptica? Qual?

-

NA0 SEI 8 Tabela 4

/

CORRETA BRANCO 6

-

NA0 SEI ERRADA 5 1 14 BRANCO ERRADA 29 3 0

Fig 1 RefknteaTabelal

Fi

2. -te a Tabela 3

Na Fi.1 podamo6, obsmvar que mais & 94% dos aluuos,

de

alguma hrjna, jit

owiram

firlar

de

fibta ópüca. Por outro lado, a parcela de ahui;uB que indicaram o uso rle

fibraópticaaateWmkcorrespoUdea 78% (Fig.

2

)

.

E s s e f b é idbm de uma

campsaha

*mdapeJamTELondemostraoi~u,e-dafibraóptícanatd-

/

os

divuigaáos pela mhtia

Fig 3. aTabeda4

Oiitrofato7tambémimpootante,sãoasresuitadusâapergnuita2.Asresjmstas

r.

Com

referência a q

w ,

entres alunos respoderam que fibra A Fisica C W i pode ser c o n s i ~ como a h v o M até o final

do

século

XIX

J á a F i s i c a ~ e s . t á c o m p r e e n w t & e d r e o ~ ~ ~ b M X e a ~ d e

~ d o s é c a b X X P o r t a r r t o o q u e f e i & b o & d é c a d s & q ~ ~ o s d i a s ~ é

considerado

Física

C h ê m p r b a . Essa c l a s w &i feita cous- que a Física C b & q m b a está n d a c i d às impo&mtes apl- tecnológ'í que surghm a p a r t i r d a d é c a d s ~ ~ ~ a d o s 6 c d o X X , p r ~ l o , l o s p r ú i e e i r o s

&&de

W . [ o s t a m a a a , 20011-

N ã o h á m ~ q ~ t o a c W ~ f i e i t a a c i m a , ~ é i m p d a n t s q u e -0s

uma

distnrção

eatm PísicaModem8-ramo da iísica que esíuda

as

parrtícuías

h ~ d s ~ ~ a C o s 1 1 1 0 ~ - e a F I s i c a C a n t e m p o r â o e a q u e é ~ a p l i ~ de

coakeitosc~icos~o~to&tecnologiamoderarr.

r

FISICA FISICA NÃO

BRANCO

CLÁSSZCA MODERNA SEI

QUESTAO

5- Você

acha

que 13 83 1 3 a fibra uiiliza aphaç&o

& um ameita de: Tabela 5

N ~ ~ ~ ~ a n a s ~ d a s a l u n o s , resolvemosrnoatPu:umtextiosobrefibm ópFiai,riof9naatodeum9aula,heszaIE,nainteação&aplicá-kinas~disadas.

A aulnr sobre fibat óptica iÒi, então7 ministrada seguido

os

passos

do

AnexoII. A

atividsde permitni que os alunos viveai- o

feno-.

Evitou-se assim a

~ b n d a , s e m ~ ~ . N a b u s c a d e e o r p t i c a r o p t i n C l p i o d e f w i C í ~ d a fibra óptica os alunos ficaram surpresos com a faclidade

de

perceberem

tal

. f e n & m e que

a "tat da fibra óptica'' era fácil

de

ser compedida

Quanto a discípima e a postura

dos

alunos, em saia de

aula

-

um

problemas

-

notamos unia meihora s i g n í f i d v a , v& que, o asmio

despertou

' ,

w,

m f u i r ç â l r , d s d N u l ~ d a f i b r a ó p t i c s p e l a m í d i a e ~ p e l a ~ ~ atka na auEa Os aiunos ~ i mais baguuc&os d firam ~

os

que mais ~c~ e

d s s m u p l ~ n 7 M d o q i i c i I g u n s b o o i m ~ .

O&?

Também, é

abaixo mosimmos a

o bimastre w o r , nas duas dus~.

Tabela 6 Médias

segamd doa no

Bimestm&r

f

595 B i m e s b G m r

f

795

T a c e h a n o

475

Após o término da atividade experimental, os alunos se interessaram pela revisão sobre o fenômeno da reflexão e refiação. Eles puderam perceber como a fisica está relacionada ao seu cotidiano, que certos conceitos não são difíceis de se entender. Mas, o mais importante foi desenvolver nos alunos a curiosidade. Após o fínaJ da aula diversos

estudantes quiseram continuar a conversa, fazendo inúmeras perguntas. O texto elaborado foi h t o de pesquisa sobre fibras ópticas e resolvemos transcrevê-lo visando auxiliar outros

professores, que muitas vezes não têm tempo de se manterem a par das novidades.

Outro fato digno de nota, foi a mudança observada nos alunos. Tal comportamento

refletiu nas notas adquiridas nas avaliações posteriores que podem ser vistas pelo gráficx) da

Fig.6. Houve melhora na relação professor-aluno e conseqüentemente no comportamento

disciplinar. Alguns alunos chegaram a trazer recortes de revista onde tratava de fibra óptica e suas utilidades. Enfim, ficou claro que a forma pedagógica utilizada no processo ensino- aprendizado foi crucial para o desenvolvimento do conhecimento. Desta forma, foi preciso fazer

uma

crítica e tomarmos consciência da necessidade de avaliar a prática pedagógica que estávamos, anteriormente, utilizando e, partirmos para uma mudança de metodologia. A partir deste momento, foi introduzida, nas aulas subsequentes, a prática experimental, artigos de revistas, fotos, que íizessem sempre uma ligação entre o cotidiano e os conteúdos a serem abordados. Os alunos foram incentivados a pesquisa aplicações práticas e se apresentaram mais dispostos e curiosos com a matéria. Tivemos até um aluno que gostou tanto da nova forma de abordar a fisica que decidiu se tomar um físico.

_{1 1 1}

5 . BIBLIOGRAFIA

[Parârnetros Curriculares Nacionais -PCN ]

Ostermann,F., Moreira, M.A. ,Atualização do curriculo de Física na Escola de Nível Médio: Um eshrdo desta problemática na perspectiva de uma experiência em sala de aula e da formação inicial de professores7 Cad.Cat.Ens.Fis.,v. 1g7n.2:p. 135-1 5 1,ago,2001

r

-

C P C r- /--

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-

Questionário diagnóstico

As perguntas foram objetivas e visavam apenas situar os estudantes dentro de seu contexto social.

1 - Você já ouviu falar em fibra óptica? a) sim b) não

2

-

Você sabe como finciona a fibra óptica? a) sim b) não

3

-

Você é capaz de citar uma aplicação da fibra óptica?

a) sim qual? b) não

4 - Você conhece alguma aplicação diferente da anterior mencionada?

a) sim-qiial? b) não ,

5 - Você acha que a fibra óptica utiliza aplicação de um conceito de: a) da Física Clássica b) Física Moderna

Tnao DESIXNADO AOS

PROFESSORES

DE

ENSINO M$DIo.

ai.

INTRODUÇÃO

o4

Uma das maiores reclamações feita por professores de fisica é em relação ao comportamento dos alunos em sala. Alunos dispersos e sem interesse algum pela ciência. Esse quadro é devido a vários fatores entre eles a falta de pré-requisitos para entendimento dos fenômenos, a maneira como vem sendo trabalhada a ciência, onde muita abstração é exigida, enfim um quadro deveras desanimador.

Na escola onde esta pesquisa foi realizada, podíamos encontrar o quadro descrito

_h

acima. Isto era muito desestimulante. As aulas eram tradicionais. Os conteúdos eram

explicados seguidos da resolução de exercícios. Alguns alunos perguntavam se teríamos

"Q

laboratório, e a resposta era sempre sim, porém nenhuma aula prática era dada. Uma das

justificativas era sempre a falta de tempo para elaboração da atividade. Resultado: aulas

cansativas, alunos indisciplinados e resultados homveis na avaliação. Na tentativa de

reverter esta situação elaboramos uma aula interativa, com realização de experimentos. A principal mudança foi deixar de considerar o aluno como uma entidade a ser modificada,

onde uma quantidade de informação deveria ser dada e depois cobrada a aprendizagem, numa prova conceitual, mas aproveitar suas experiências de vida, sua bagagem intelectual e

sua visão do mundo. A interação com os alunos permitiu que eles se "soltassem" na sala de

aula, começassem a participar, tivessem coragem de emitir opiniões, sem medo de errar.

Aquele professor que sabe tudo inibe o aluno. Os resultados foram excelentes o que nos

permitiu influenciar na mudança de metodologia aplicada pelos professores na área de ciências de nossa escola.

A influência educativa que o professor exerce com propostas, orientações,

seguimento, diietrizes, etc., promove o desenvolvimento quando consegue atingir o aluno por meio da zona de desenvolvimento proximal e transforma em desenvolvimento real - reconstrução no plano interpessoal - aquilo que, a princípio, é desenvolvimento potencial, que requer a intervenção de outros para ser atualizado. [Coll, 20001

11.1.1 Objetivos:

Nossos principais objetivos visaram:

J Ratiíicar a importância do método utilizado no processo ensino-aprendizado de

fisica;

J Desenvolver um material de fácil aplicação para professores do ensino médio;

J Relacionar o conhecimento com a tecnologia levando o aluno ao exercício pleno da

cidadania;

IL1.2

Justificativas do Trabalho

A elaboração deste texto foi resultado de uma pesquisa sobre fibra óptica. As informações em livros didáticos são muito dispersas. Tivemos que procurar em variados tipos de literatura, desde revistas até cursos especializados, ministrados pela Telemar. Em virtude deste fato, resolvemos reunir este conhecimento de forma a facilitar outros professores, no seu trabalho de pesquisa, já que a disponibilidade de tempo, para a maioria deles, é escassa. Isto é percebido pela percentagem, ainda muito pequena, de professores que se reciclam ou avançam em seus estudos.

II.2 METODOLOGIA APLICADA

A fisica, como todo ramo da ciência é construída baseada em:

7

1°.Ouestionamento + Momento onde se coloca um problema a ser respondido de forma organizada;

2°.0bse~aqão

-+

Fase que se estabelece uma interação entre o homem e a natureza. As

informações são obtidas pelos sentidos (visão, audição, ...) formas diretas ou com o uso de um conhecimento prévio do comportamento de um corpo: forma indiieta. Como exemplo a medida da temperatura;

3". Formulacão de uma hi~ótese+ Esse é o momento onde são criados modelos teóricos

para explicar o fenômeno observado. Com o objetivo de ratificar a hipótese, realizam-se

experimentos que levarão a obter conclusões ou a alterações tanto no modelo teórico como

na hipótese. penteado, 20011

Nem sempre a sequência apresentada acima é respeitada para construção do conhecimento científico. A sua ordenação pode ser alterada. Porém, podemos perceber que o conhecimento tem como ponto inicial as interações que temos no nosso cotidiano. Baseado nessa idéia,torna-se importante que todo trabalho parta das ideias prévias do aluno que foram construídas de suas interações anteriores. Essas devem ser levantadas e após uma análise, servirão de direção para se detínir as técnicas e pontos a serem abordados durante a prática da atividade. Renegar esse conhecimento prévio leva a dispersão dos alunos e desinteresse pelo conhecimento apresentado. [Penteado,2001]

Para cumprir o exposto acima, o trabalho teve seu início na obtenção desse conhecimento prévio. A fase diagnóstica propõe um questionário objetivo sobre o tema. Com as informações obtidas, o professor pode ter uma noção de como apresentar o conceito, melhor diiionando o seu trabalho. O questionário, para o nosso tema, está no anexo I deste trabalho. Se nossos leitores desejarem, o número de perguntas pode variar,

mas devem ser sempre diretas, com uma única resposta objetiva.

Antes de darmos prosseguimento, foi contada a breve história da fibra óptica. A etapa seguinte foi desenvolvida no laboratório, com atividades simples, tentando retirar dos alunos explicações para tais fenômenos. Nessa etapa procuramos desenvolver a curiosidade e despertar no aluno a capacidade de observação. A partir das hipóteses levantadas, partimos para a construção de modelos que explicassem tais fenômenos. Os alunos têm explicações para os mais diferentes tipos de fenômenos e processos com os quais convivem, ou de alguma forma, têm contato. Fazer uma previsão, perceber a existência de explicações diferentes e que não podem ser todas consideradas igualmente válidas é

importante para o desenvolvimento da capacidade da observação. A teoria foi desta forma

O ~roblema ) hipótese ) A Revisar hipótese A

-

experimentos conclusões

p r o v m e modifíaqibs a m p ~ e n t a i s nos alumos. A visão que tinham

do

f d m e ~ )

foi r d h d a ou modificada pelas aíividades

desemohiid2w.

A histbna, a seguir7 esta esCnía de %mia árida O "contaâor

de

histórias" dispõe de

gestos, carietas, canmEánca7 que tomam a

hiirtória

mais htemmn@.

E m 1 8 7 0 , d i a r i t e d o s m c n e d u l o B ~ b n i s d a R o y a l S o M e t y & ~ 7 o f i s c a

inglês J o b TymM r#rnsegoiu fiu;er

uma

com

a luz. Cdocou uma lanterna dentro

de

um

mipiente opaoo cheio de água,

com

um orificio num dos

lados,

pelo

qual

a dtgua

e& A luz aampdmva a trajetória curva da água, ccnno se ti-

sido

dobrada

Na

e

N a r i n d e r S g i g b ~ ~ ~ o o m 2 5 ~ . Q u a n d o

aprofimdava

seus

esáios

sobre o íkúhmno

da

reflexão total intieraor, para

obter

o PbD (doutorado)

em

Óptica na U~~ de

Lontdres.

Seus

ao do ciWm, funcioasria

como

um espeiho,

o o n ~ d o a l u z Q t r u q u e d e u c e r t o p o r q u e q u a n b ~ r a ~ ~ o s n b d i ~ d e

~ n i e w r r o ~ 1 U n i i . t e . C o m o ~ ~ ~ i m o , t o d a l r a q u e g a ~ n o

c i 3 i a d r i o ~ ~ & ~ p r a t i c a m e a f r e ~ o s g i n ~ d e i r a c ~ D e s t a f o r m a , a l u z ,

u m a v p ; z d e n t r o d o ~ , s ó p o d i a s a i r p e l a o u t n i ~ a d e . ~ c w n á I b o s ~ ~ ~ ~ ~ ~ ,

a luz fluia

como

água, real- r n i b

de

reflexões sucessivas, sempte no

mesmo

bgdo. Para multiplicar os risos

dos

tubos, ôadava esmitar os canos

de

luz,

&

cerca

de

um

~ d e d ~ 7 A s ~ d e u m f i o d e ç a t > e i o . A c h a r u m ~ c o m atractePístcadoviáro eamúeabílídadede fiasdecabelonão

foi

mWdo cMd, pois a í h d

as f i h de vidro já eaun

t x m k c k h

desde o século

XMII

e

aí6

d o vinbttm senbo

utriizadas

como

i s o b

ténmico.

Por isso, foram suficientes dgunw nutaptaeniaP ao

~ d e f B ~ p i l r a ~ i r o s W d e r e f r a ç ã o ~ . A p ó s ~ m &

pesquisa, em 1955,

Kapany

cunhou a expresb fibra óptica e patemteou a mvençh.

[Superhi- orá 19891

~ e m ~ , ~ f i b r i i s ó p t i ~ ~ ~ ~ u r n p r e c i o s o t r a n s ~ d e

~ i s t o é , ~ a l ~ z c o n a o h m ~ ~ . N o i n i c i o K a p a n y ~ ~ q u e s e u

~ f i ~ & a ~ m a s e m 1 9 6 6 , o & i c o ~ C h s r l e s K a a , p e s q ~ d o s

I .

Ldmdmms

de

fãarkrw,

Inntat#ra

teve a

ideia

de usar as fiinas óptícas para a tmmnkdo

de

&ardas t e b h k s . Ebe mmtmu que cabos de fibras, emboa j n d í s s k

menores

que os cabos convencionais, têm uma capacidade muito maior de transmissão de dados, seja telex, televisão, computadores, etc. a um custo bem menor.

II.4. EXPERIMENTOS

Um dos maiores entraves no processo de ensino-aprendizagem da fisica é a deficiência do aluno no ramo da matemática. Essa é vista como grande vilã e aquela como cúmplice, ambas responsáveis pelo desespero dos alunos na sua vida escolar. Há até quem diga que a grande responsável pela reprovação no vestibular seja a fisica. Isto devido a urna "matematização " da mesma. Podemos mudar essa idéia trabalhando com a construção das equações a partir dos conceitos envolvidos em cada fenômeno. O trabalho científico está muito ligado a textos informativos, figuras e imagens.

Ií.4.1-IqAtividade - Adaptação da Experiência de John Tyndaii I - Material Empregado:

1. Ol(uma) garrafa de dois litros de refrigerante transparente;

2. Ol(uma) fonte de luz (lanterna ou laser); 3. O 1 (uma) bacia para aparar a água; 4. Água.

II-

Procedimento

Fig

II

-

2

Faz-se um fiiro na garrafa de refigerante a h de permitir que a água escoe num filamento. Direcione a luz, com a lanterna, pela outra extremidade da garrafa e varie o

ângulo até observar que a luz reflete sucessivamente no pequeno filete de água. Este experimento retrata a experiência feita para provar que se pode dobrar a luz. Após dez

anos desse experimento, foi inventada a fibra óptica. Essa atividade procura fazer o

aluno reconhecer a fisica enquanto construção humana e trabalhar seus aspectos históricos.

II.4.2

-

2a. Atividade

I - Material emoregado:

1. O l(uma) fonte de luz (lanterna ou laser);

2. Ol(um) metro de tubo de soro ou mangueira de aquário; 3. O 1 (uma) placa de madeira 3 5 x

4. Prendedor de fio telefinico;

5. O 1 (um) anteparo branco ( prato de isopor) 6. 02( dois) pedaços de 20 cm de arame grosso; 7. Água com leite;

II - Descricão : Fig II.3 Monte com o arame dois suportes. Faz-se uma mola do diâmetro do tubo de soro, deixando uma parte lisa que será enãada na madeira. Coloca-se as extremidades do tubo de soro nos dos suportes de arame, e prenda-os na madeira em diagonal. Faça viirias curvas com o restante do tubo, prendendo na madeira com prendedor de fio, como mostra a figura II.3. Encha, com a seringa, o tubo com água. Para melhor verificar o feixe de luz, acrescente um pouco de leite na água. Com o laser, numa das extremidades, faça variar o ângulo de incidência até verificar a reflexão sucessiva da luz, resultando na iluminação no anteparo, colocado na outra extremidade do tubo.

É proposto aos alunos que façam a luz atingir o anteparo por meio do tubo e estabeleçam uma relação dos ângulos de incidência para os quais ocorre o fenômeno com os ânguios menores, ou seja, anterior ao fenômeno. Após, é pedido para que pensem em exemplos de aplicação desse fenômeno em outras áreas da ciência. Por falta de conhecimento, esta parte pode ser conduzida pelo professor. Nessa atividade é

desenvolvida a capacidade investigativa, a articulação do conceito fisico com outras áreas e a compreensão da fisica presente nos equipamentos e procedimentos tecnológicos.

11.4.3

-

3.. Atividade: I-Material empredo:

I. Ol(uma) fonte de luz (lanterna, se possível com luzes coloridas);

2. Fita isolante preta; 3. Fibras ópticas.

Fig II.4 I1 - Descricão:

Essa atividade é inteiramente ilustrativa onde os alunos têm contato com fibra óptica utilizada na construção de equipamentos. Também tem o objetivo de mostrar a

vantagem do uso da fibra óptica em termos de material. Por ser bem fina e de fácil manuseio, apresenta vantagens em relação ao fio de cobre usado na telefonia. É pedido para apresentarem outras vantagens da fibra óptica em relação ao fio de cobre. Esta atividade capacita o aluno a atribuir um juízo de valor em relação a situações sociais que envolvam aspectos físicos e tecnológicos relevantes.

r n r-. r . /4 h n

-

r? n i-. R IL5.1 Introdução

Primeiramente, cabe-nos a pergunta: O que é luz?

Para responder essa pergunta faremos uma breve retrospectiva da construção do conceito de luz. Até meados do século XVII a luz era considerada de natureza corpuscular. Consistiria de partículas emitidas por

uma

fonte luminosa que se moveriam em linha reta pelo meio com altíssirnas velocidades. Newton foi um dos grandes defensores dessa teoria, tendo realizado várias pesquisas em óptica. Ele mostrou, entre outras coisas, que as leis que regem a reflexão e refração da luz poderiam ser deduzidas a partir da aplicação,

hs

partículas de luz, de sua teoria mecanicista.

Christian Huyghens (1 629- 1695), físico e astrônomo holandês contemporâneo de Newton, era um estudioso dos movimentos ondulatórios, tendo descoberto e explicado várias de suas características. Ele verificou, por exemplo, que ondas também sofrem reflexão e refiação e propôs que a luz poderia se propagar através de ondas. Embora as duas teorias, tanto a corpuscular como a ondulatória explicasse a refiação, havia uma divergência entre as duas teorias. Esta previa que com tal desvio teríamos uma diminuição na velocidade de propagação da luz e aquela previa que haveria utn aumento na velocidade de propagação da luz. Fatores como a alta reputação de Newton e a incapacidade, na época, de se determinar a velocidade da luz, levaram a não aceitação imediata das idéias de Huyghens.

No início do século MX, experiências reaiizadas por Fresnel e Young demonstraram que a luz apresentava comportamentos típicos das ondas (tais como diiação e interferência). Além disso, medidas da velocidade da luz -primeiro no ar, feita por Fizeau, e depois na água, realizada por Foucaut, mostraram que a velocidade da luz na água era menor que a velocidade da luz no ar, fazendo assim da teoria ondulatória aceita e mais adequada para descrição da natureza da luz.

Outro passo importante foi dado por James Clerk Maxwell (183 1-1879). Na segunda metade do século XIX, ele formulou um conjunto de leis - conhecidas por equações de Maxwell

-

cuja importância para óptica e eletromagnetismo é comparável a das leis de Newton para a mecânica.[Guimarães,1998] A partir dessas equações, ele deduziu que as cargas elétricas aceleradas deveriam emitir um certo tipo de ondas - por ele denominadas ondas eletromagnéticas

-

as quais por suas previsões teóricas, deveriam se propagar pelo espaço com uma velocidade de 3,O x 108 mls, ou seja, a mesma da luz. Tal coincidência o levou, naturalmente, a propor que a luz seria uma onda desse tipo.

Quinze anos depois das previsóes teóricas de Maxwell, Heinrich Hertz conseguiu produzir ondas eletromagnéticas em seu laboratório, verificando que realmente se propagam com a velocidade da luz, e apresentavam comportamentos semelhantes aos das luminosas. Assim, ao

final

do século XIX, tudo parecia explicado: a luz é uma onda eletromagnética emitida pelas cargas aceleradas

-

os elétrons

-

do interior do átomo.

No entanto, no início do século XX, foi descoberto o efeito fotoelétrico (fenômeno no qual a luz incidente na supedcie de um condutor, faz com que este libere elétrons). O modo como os elétrons eram liberados não correspondia a explicação fornecida pela teoria ondulatória da luz. Coube a Einstein desenvolver outra teoria para a luz, capaz de explicar a sua interação com os elétrons do metal.

Eistein analisou o modo pelo qual os elétrons do metal são liberados pela luz incidente e, ao contrário do que sugeria a teoria ondulatória, postulou que a energia é

quantizada, ou seja, concentrada em pequenos pacotes, transferidos, de uma só vez, para cada elétron. Esses pacotes receberam o nome de fótons e possuíam uma energia dada pelo produto da constante de Planck (h) e a frequência da radiação. Essa constante, de grande importância para a fisica Moderna foi proposta por Max Planck, quando tentando explicar as propriedades da radiação emitida por um corpo aquecido, introduziu na Física, a idéia da quantização. Essas hipóteses não foram aceitas imediatamente. Datam de 1900 e 1905 as

teorias acima mencionadas, porém sua aceitação, com o respectivo prêmio Nobel, a seus mentores, datam de 1918 e 1921. Retomou-se, assim, a idéia da luz como partículas, no entanto, um pouco mais complexa que a antiga, visto que, os fótons são partículas no sentido clássico da palavra e, além do mais, possuem uma característica típica das ondas, a frequência. Portanto para responder o que é luz, hoje, um fisico diz: "Depende, enquanto se propaga pelo espaço, ela tem um comportamento ondulatório; quando interage com a matéria, ela tem um comportamento corpusculai'. [Guimarães, 1998). Isto se chama dualidade onda-partícula. Um mesmo ente fisico pode ser onda e partícula.

IL5.2 Reflexão

Vamos de= algumas quantidade úteis. Na

1

figura II.5, representamos o feixe incidente e

,

também os feixes refletidos e refiatados através de raios, que são linhas traçadas em ângulo reto com as frentes da onda,

A luz incidente em uma superfície sofie reflexão obedecendo as seguintes leis:

- FEinti, #ormY 1 I Ar r R*

-

mnrirrur,

Fig II.5 Representação utilizando raios. Os raios de incidência Oi, de reflexão O, e de refiação OR estão marcados. Os ângulos estão medidos em relação a normal a superíicie. wesnick, 19911

A imagem refletida, numa superfície

polida é formada da seguinte maneira: a luz que incide sobre o espelho é representada por raios que emanam do objeto 0 . Na figura II.6 em que cada raio vindo de O bate na

superfície polida, traçamos um raio refletido. Se prolongarmos os raios refletido para traz da superfície polida eles se interceptarão num ponto I, que chamamos de imagem de O. Quando olhamos a superfície polida os raios refletidos parecem estar vindo do ponto imagem. [Resnick, 19911.

Fig. II.6 Um objeto pontual forma uma imagem virtual.

Os raios parecem divergir

em

I, mas na realidade não há luz neste ponto.

[Resnick, 1 99 11 --.-o-+., -2.. (3653,-

.-

-e"- ** ** -4.

.

dec'..

-.

C

...

*-&*

'*,k

Fig II.7 O estudo do fenômeno da

refiexão de ondas de luz por um

plano e s u M c i e s curvas em relação a formação de imagens é importante para aparelhos ópticos. Qualquer fonte finita de luz, como

um filamento de lâmpada ou uma

superíicie iluminada pode ser vista como uma coleção de pontos luminosos distribuídos sobre uma superfície. Na formação por um espelho plano, os raios incidentes são paralelos

um ao outro e normais a fiente de onda. As fientes de ondinhas refletidas na superfície, por sua vez são esfericas originadas pelos vários pontos na superfície quando atingidos em sucessão pela onda incidente. O método geral de construir a fiente de onda refletida é mostrada na figura II.7. AB' é a supdcie polida, e AB a fiente de onda incidente, os raios sendo indicados pelas

linhas.

No momento considerado, um distúrbio secundário começa a deixar o ponto A. Esta perturbação secundária se espalhado em volta de A, numa distância BB' quando a fiente de onda chegar a superfície em B'. As ondinhas secundárias dos pontos C, D, E, etc., terão raios menores que AB', e traçado estas esferas, podemos observar que elas são envolvidas por uma superficie plana, que faz o mesmo ânguio com a superficie polida que as ondas incidentes.

.

Se aplicarmos esta mesma construção no caso de ondas esféricas, chegaremos a uma onda refietida de forma esférica irradiando de um

ponto abaixo da supdcie polida, tão distante quanto a fonte está acima. Uma imagem

Estamos tão acostumados com os espelhos que esquecemos que esta coisa marmavlIhosa é

capaz

de formar uma imagem de nós mesmos de maneira bem simples. Este fantasma - tria?menszonal- rigidmnente acoplado aos nossos

próprios movimentos - olha para nós por trás do elpaço sólido através do espelho, onde, sabemos, existe apenas a esmriciao. mesnick, 199 1 ]

IL5.3 Refração

Quando a luz atinge uma superfície de separação entre dois meios de densidades ópticas diferentes, parte da energia é refletida de volta, no primeiro meio, e parte atravessa a separação e é transmitida através, ou absorvida pelo segundo meio.

O fenômeno que explica - de forma básica - o funcionamento de uma fibra óptica é a refiação da luz. Ocorre refiação quando a luz muda de meio de propagação. Com a mudança de meio, sua velocidade assume diferente valor. A palavra refiação tem sua origem no termo latino refactus cujo significado é girado para o lado ou quebrado. Ocorre, portanto um desvio na diieção de propagação da luz uma "quebra para o lado".

Reta normal Representação do fenômeno de refiação.

Fig I1

.

8 Raio de luz quando passa de

um meio menos refigente para um

meio mais refringente.

Raio de luz => representação gráfica da propagação da luz.

\

Superfície plana de separação dos meios transparentes também chamada de dióptro plano.

Índice de refiação absoluto (n) Essa grandeza expressa a relação entre a velocidade da luz no vácuo (c = 3, O x 10' mls) e a velocidade da luz no meio (v).

Equação 1

O índice de refiação de

um

meio depende da luz incidente, pois para cada radiação (cor) temos velocidades diferentes no meio. Há uma relação também com a densidade do meio. Quanto maior a densidade, maior será o índice de refiação. Como exemplo, a densidade da Q.m do oceano é maior nas camadas mais proftndas, ocasionando maior índice de refiação. E preciso, entretanto fazer distinção entre índice de refmção e densidade. Notamos que muitos alunos confúnde estes dois conceitos.

A tabela abaixo mostra alguns índices de refiação absolutos para uma l u monocromática.

Substância vácuo

Índice de refração absoluto 1.00000

Quartzo fundido Glicerina

Vidro

A refração é regida por duas leis:

1,46 1,47 1-52 Diamante

IL5.4 Ângulo-limite entre dois meios

2,42

1

Quando a luz passa de um meio mais refiingente para um meio menos

refnngente há um afastamento do raio refiatado da reta normal a superfície. A medida que o ângulo de incidência aumenta temos afastamentos maiores. Devido a este

comportamento, existe um determinado ângulo de incidência no qual o raio refiatado emerge rasante a superficie, isto é, a face de separação entre os dois meios. A esse ângulo chamamos de ângulo-limite,

L .

Tabela 11. 1 [parcial de Renick, 199 11

Fig 11.9 - Raio refiatado de um meio menor refnngente (ni) para um meio mais refringente (nz)

nl. sen L = nt

.

sen 90°.

s

sen

i

= n2/nl equação 3

i

= Arc sen (nt/ nl) onde nl >n2

A relação acima mostra uma dependência do ângulo-limite com os índices de rehção dos meios. Quanto maior a diferença entre os índices de refiação menor será o ângulo limite, pois teremos senos menores e, conseqüentemente, menores ângulos.

115.5. Fibras Ópticas

Uma nova e revolucionária tecnologia

-

a comunicação por meio de ondas luminosas

- está

transformando as redes de comunicação no mundo inteiro. A fibra óptica pode ser vista como uma guia de luz. Mas como fùncionam? Num sistema de transmissão, a informação é codiiicada em dígitos binários, que se traduzem pelos algarismos zero ou um. Por exemplo, um sinal de voz necessita de 6,4 x 104

bits/s. Num sistema de transmissão elétrico cada "zero" corresponde a ausência do pulso elétrico e cada 1

corresponde a um pulso. Num sistema de transmissão luminosa cada 1 é flash de luz transmitida e cada zero, uma ausência de flash. Assim toda a informação é cdficada como uma sucessão de flashes. Na saída,

cada pulso de luz é revelado por um fotodetector, e um

flash produz um pulso elétrico. Deste modo os pulsos luminosos são novamente convertidos em impulsos elétricos. Embora isto seja apenas uma descrição muito básica do esquema de hcionamento de um sistema de telecomunicação, por meio de ondas luminosas, ela mostra com clareza os dois mecanismos fiuidamentais:

a informação é convertida em pulsos de luz que são transmitidos até certa distância através de uma fibra óptica e, a seguir, estes pulsos de luz são reconvertidos em informação no sistema detector. ~esnick, 19911

Na fibra há um núcleo de um vidro altamente puro, envolvido por um outro vidro ou plástico de índice de rehção menor. A energia óptica se propaga pela região central e o confinamento da luz é feito na interface entre os dois materiais. Fig II. 10. As dimensões do núcleo variam de 8pm, para o caso de fibras usadas em sistemas de telecomunicação de alta capacidade, até mais ou menos 5 0 0 ~ nos casos da aplicação ser menos sofisticada. Para

-.h&--

-

-- plkSlos

L

Fig 11.10 - Como se propaga a luz na fibra óptica. [Super Interessante, out, 19891

ri

I f-i

melhor visualização das dimensões veja figura II. 1 1 e II. 12 a seguir:

Fig II. 1 1 Diagrama Esquemático de uma

fibra com revestimento de silicone e nylon

Praga, 20001

praga, 20001

Fig II. 12. Diagrama Esquemático de uma

fibra com revestimento Acrilato.

Núcleo

A estrutura de uma Fibra Óptica é composta de:

Núcleo: É a parte interna da fibra óptica e que conduz as

ondas luminosas. E sempre de sílica.

Casca - É a parte da fibra constituída pelo tubo de

quartzo.

Revestimento Primário - Material que envolve a casca. (Normalmente de naylodsilicone ou acrilato) com o

objetivo de proteger a fibra óptica.

11.5.5.2 Principais tipos de fibras ópticas Os principais tipos de fibra óptica são:

a. Multímodo índice Degrau; b. Multimodo índice Gradual; c. Monomodo.

Fig 11.13 Estrutura da fibra óptica praga, 20001

.a) Multímodo Índice Degrau

-+

Consiste de um núcleo de 50pm de diâmetro coberto de uma casca de índice de refração ligeiramente mais baixo. A luz sofre reflexões sucessivas na linha divisória entre o núcleo e a casca e se propaga em linha quebrada (Pgue--e)

Fig 11.14- Fibra tipo Índice Degrau praga,2000]

b) Multímodo Índice Gradual

-+

Nessa fibra a transição do índice de refiação entre o

núcleo e a casca é progressiva. O índice de refiação decresce segundo uma função

parabólica do núcleo para a casca. A luz não é mais conduzida por múltiplas reflexões

totais. A luz é refiatada de volta para o centro da fibra assemelhando-se a uma propagação

ondulatória.

Monomodo

+

Esse tipo de fibra tem maior capacidade de transmissão. O diâmetro do núcleo é muito reduzido de forma que permite apenas a propagação de um único modo.

I

Fig

II.

16 - Fibra tipo Monomodo. praga, 20001

IL5.5.3 Ângulo Limite da fibra

O ângulo limite das fibras varia de 75" a 85', porém nas fibras ópticas só podem ser transmitidos raios luminosos com ângulos de 5" a 15" , em relação ao eixo longitudinal do núcleo. Como a luz é emitida por um dispositivo externo ao núcleo, um diodo de Laser por exemplo, essa passa por uma zona ao ar livre cujo índice de refiação é igual a um. Devido a isso, define-se para a fibra óptica um cone de aceitação da luz que consiste numa região onde todos os raios que chegam penetram com sucesso, ou seja, propagam-se ao longo da fibra óptica. Para os raios que incidam fora dessa região serão praticamente perdidos praga,2000]. Veja a figura

II.

17.

Fig

II.

17 Somente os raios que incidarn dentro do cone de aceitação são aproveitados.

IL5.5.4 Abertura Numérica

Esta característica da fibra óptica consiste da capacidade de captura da luz pela mesma. E expressa por um número que define o ângulo máximo, ou seja, o ângulo do cone de aceitação, no qual os raios luminosos incidentes serão propagados através da fibra óptica. Na figura II. 18 temos a relação que define 8. praga,2000]

sens =

,/-

N, = índice de refi-ação do Núcleo

N, = índice de refiação da Casca Equação 4

Fig 11.18 - Pela equação 4 , podemos notar que 8 depende do processo de fabricação.

11.5.5.5 Técnicas de Fabricação de Fibra óptica

São vários os métodos de fabricação, porém será descrito apenas um deles que é usado pela Telebrás atualmente. Esse é o mais utilizado em todo o mundo: M.C.V.D.- Deposição química modificada no estado de vapor. Essas fibras apresentam o núcleo de germânio silicado e na parte externa temos quartzo fundido, isto é, sílica.

Basicamente, um tubo de sílica é colocado numa espécie de tomo horizontal e aquecido por meio de um maçarico a uma temperatura de 1400" C. Os maçaricos se deslocam paralelamente ao eixo do tubo que é sempre mantido em rotação. Esse procedimento tem como objetivo aquecer de forma mais uniforme possível. No interior do tubo é introduzida uma mistura de gases, tais como: oxigênio, tetracloreto de silício, tetracloreto de germânio, cloreto de

fósforo e cloreto de boro. Veja figura 11.19:

A fabricação é dividida em duas partes. Primeiramente, fabrica-se o vidro composto também chamado de "pré- forma" onde a casca e o núcleo são separados já com o perfíl e o índice de refiação desejados. Na segunda etapa, o Fig II. 19 . Técnica usada na fabricação da Fibra óptica pela Telebrás.

bastão de vidro (pré-forma) de aproximadamente 30 rnrn de diâmetro e 710 mm de comprimento é puxado resultando em 25

krn

de fibra com diâmetro de 125 p.

IL5.5.6 As vantagens apresentadas pela fibra óptica

Dentre as inúmeras vantagens da fibra óptica, especialmente para a telecomunicação, podemos citar algumas, em relação aos meios eletrônicos tradicionais, isto é, os cabos de aço:

1. pequenas dimensões; 2. Baixo peso;

3. Grande capacidade de transmissão;

4. Grandes distâncias entre repetidores imunes a infiuências do meio ambiente; 5. Imunidade a interferência eletromagnética;

6. Não gera campos eletromagnéticos; 7. Insensível a relâmpagos;

8. Sigilosidade e proteção contra "gra~npeamentos'~.

O uso das fibras ópticas se deu primeiramente na medicina. Com o uso de fibras ópticas pode-se iluminar áreas internas do corpo humano que, devido aos obstáculos apresentados no caminho, não se conseguia iluminar. É o caso dos endoscópios destinados a observação do interior de órgãos do corpo humano como

o esôfago, o estômago e os intestinos. A fibra óptica pode ser introduzida nas artérias de pessoas com problemas cardíacos, possibilitando medir a concentração de oxigênio

no sangue dentro do coração. Através de pequenas incisões,

as fibras são introduzidas nos caminhos naturais e vasculham pulmões, intestinos, coração e outros órgãos antes inacessíveis. Estas viagens interiores, que até pouco tempo eram ficção cientifica, são feitas pelo fibroscópio, um aparelho que consiste de dois feixes de fibras ópticas, um para iluminar o tecido corporal e outro para transmitir a imagem. Sensores de fibras ópticas também são capazes de fazer anáiises do sangue do paciente no próprio consultório, tornando o processo mais rápido. Pequenas cirurgias são

igualmente possíveis, com a vantagem de dispensar o corte de tecidos saudáveis

-

o feixe de laser é transportado pelas fibras ópticas, cauteriza veias em hemorragias intestinais e vaporiza placas e coágulos sangüíneos em artérias cardíacas. [Super Interessante,out 19891

Nas telecomunicações, as vantagens do uso da fibra óptica sobre os cabos metálicos são inúmeras. Seu desempenho é muito superior, já que cada fibra óptica tem capacidade equivalente a 400 fios metálicos duplos. Assim, enquanto um cabo, com 200 fios de cobre, permite transmissão de 1500 ligações telefõnicas simultâneas, um cabo com apenas 18 fibras ópticas garante 28000 ligações. Além do pequeno peso e volume reduzido, as fibras

ópticas não sofrem as interferências magnéticas comuns aos fios metálicos, promovendo uma fidelidade muito maior na transmissão de informações [Super Interessante, out 19891. Outra vantagem é a abundância de matéria-prima, sobretudo a sílica, necessária

a

fabricação das fibras ópticas, o que torna sua utilização extremamente econômica em comparação aos fios de metal. Por fim, a interceptação das transmissões por fibras ópticas é

muito mais ciificil: os cabos ópticos são praticamente imunes ao grampeamento.

Com a velocidade vertiginosa, as fibras ópticas estão desbancando, também, os satélites nas comunicações (iterligando os continentes por cabos submarinos ou terrestres). A revolução começou na década de 80, acelerou nos anos 90 e hoje, no mundo inteiro, já há 10 milhões de quilômetros de cabos contendo, cada um, dezenas de fibras de vidro de 0.1

mm

de diâmetro cada

uma.

Uma única fibra transmite um rniihão de vezes mais informação do que um satélite. Como resultado, circulam hoje pelo mundo quase 5 quatrilhão de bits por segundo, carregando dados, e-mails, imagens digitais ou conversas telefõnicas.

A capacidade de transmissão está crescendo depressa: há 10 anos, cada fibra levava

um único raio de luz e transmitia 600 milhões de bits por segundo. Agora já se pode

canalizar 400 raios dentro da fibra e transmitir 1 trilhão de bits por segundo. [Super

Interessante, jan 20011

Além de melhorar extraordinariamente as telecomunicações, a fibra óptica também

é usada numa variedade de equipamentos: automóveis, mísseis, blindados, fiação de computadores, eletrodomésticos e ainda em microeletrônica, engenharia genética, fotografia, enfeites, brinquedos, etc.

Visto as inúmeras vantagens que a fibra óptica apresenta, como em todo o mundo, no Brasil, também, há um empenho na implantação da comunicação óptica. A infovia óptica brasileira se estende de Porto Alegre até Fortaleza, conectando-se ao norte com Venezuela, América Centrai, Estados Unidos e Europa e ao sul Argentina e

Uruguai.

Para isso são utilizados cabos subterrâneos, aéreos e submarinos [ Ramalho,2000]

Para h l i z a r , você sabia que antes de instalarem os cabos de fibra óptica no fundo do mar, eles são revestidos de aço coberto de polietileno? E que quando o material foi testado, os cientistas encomendaram um mecanismo que imita a ação de uma arcada dentaria, parecido com o que foi construído para o filme Tubarão, instalaram-no numa piscina e deram vários cabos para mastigar, até chegar a solução impermeável a quaisquer dentes?????[Super Interessante ,out 19891

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