Interferência é um fenômeno ondulatório resultado da superposição de duas ou mais ondas num mesmo ponto. O padrão de interferência depende da diferença de fase entre as ondas, podendo inclusive resultar em total aniquilação (interferência totalmente destrutiva) ou na maximização da amplitude da onda resultante (interferência totalmente construtiva). No caso mais geral, a interferência será parcialmente construtiva e parcialmente destrutiva.
Efeitos de interferência podem ser observados com qualquer tipo de onda, como ondas mecânicas (ondas sonoras, ondas em um fluido, ondas em uma corda, etc), ondas eletromagnéticas, ondas de matéria, ondas gravitacionais, etc.
Mecanismo Pelo princípio da superposição de ondas, a onda resultante de um processo de interferência é obtida pela soma das funções de onda de cada onda participante do processo, obtendo assim uma função de onda resultante. A função de onda pode representar um deslocamento vertical (onda em uma corda), a variação de pressão do meio (onda sonora), um campo elétrico (onda eletromagnética), uma função de onda quântica (onda de matéria) ou qualquer grandeza representativa das ondas em análise. Logo, em todos estes casos, o resultado da interferência depende da diferença de fase entre as ondas. Em um ponto onde há encontro de cristas (máximos) de ondas de mesma frequência, a amplitude da onda resultante é a soma da amplitude de cada onda, resultando em uma interferência totalmente construtiva. Se a crista de uma onda encontra o vale (mínimo) de uma outra onda, a amplitude resultante é nula, resultando em uma interferência totalmente destrutiva.HALLIDAY, David. RESNICK, Robert e WALKER, Jearl. Fundamentos de Física: Gravitação, Ondas e Termodinâmica vol.2: 8ª edição, 2008.
Para exemplificar, suponha duas ondas em uma corda, com funções de onda
e
.
As duas ondas têm a mesma frequência angular e, portanto, a mesma frequência , o mesmo número de onda (logo, mesmo comprimento 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 , denominado constante de fase, e que corresponde exatamente à diferença de fase entre as duas ondas neste exemplo. Segundo o principio de superposição, a onda resultante é a soma das duas outras, ou seja,
,
resultando em
.
Os possíveis resultados desta interferência estão exemplificados na tabela abaixo: Exatamente em faseExatamente fora de faseResultado intermediárioOndas e miniaturadaimagemminiaturadaimagemminiaturadaimagemOnda resultanteminiaturadaimagemminiaturadaimagemminiaturadaimagemFórmulaCom , para Com , para Com , para
Como exemplo de interferência em duas dimensões, considere o que acontece quando duas pedras idênticas são jogadas 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, o deslocamento da água num ponto particular é a soma dos deslocamentos das ondas individuais. Em alguns pontos, estes estarão em fase, o que produzirá um deslocamento máximo. Noutros locais, as ondas estarão em oposição de fase e não haverá nenhum deslocamento do líquido nesses pontos. Assim, partes da superfície serão estacionárias - estas são vistas na figura ao lado como linhas estacionárias azul-verdes irradiando a partir do centro.
Ondas planas As ondas planas são um tipo de caso especial de onda ou campo, podendo ser chamada também de onda unidimensional. É uma onda de frequência constante cujas frentes de onda são planos paralelos perpendiculares à direção de propagação. Ou seja, são aquelas ondas que se propagam em apenas uma direção ao longo do espaço, como por exemplo as ondas nas molas ou nas cordas.
Matematicamente, uma onda plana é uma solução da equação de onda, sendo dada em sua forma complexa por miniaturadaimagem|Ilustração gráfica de uma onda plana. .Onde, i representa a unidade imaginária e A a amplitude complexa.
Uma forma simples de padrão de interferência é obtida se duas ondas planas da mesma frequência cruzam em ângulo. O ângulo "entre as ondas" neste caso é o ângulo entre os raios que representam a propagação das ondas, sendo que os raios são perpendiculares às frentes de onda. Interferência é essencialmente um processo de redistribuição de energia. A energia que é perdida na interferência destrutiva é recuperada na interferência construtiva. Na figura ao lado, 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, há 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 estão meio ciclo fora de fase quando
A interferência construtiva ocorre quando as ondas estão em fase, e a interferência destrutiva quando eles estão um meio ciclo de fase. Assim, um padrão de franjas de interferência é produzido, em que a separação do máximo é
e é conhecido como o espaçamento de franjas. As franjas são observadas onde as duas ondas se sobrepõem e o espaçamento de franja é uniforme.
Ondas esféricas
Para entender melhor o conceito de onda esférica, vamos retomar um exemplo anterior: uma pedra caindo numa lagoa. Onde a pedra cair, serão geradas frentes de onda circulares bidimensionais.
Estendendo o caso para três dimensões, imaginando uma esfera cercada de um fluído. Consideramos uma fonte pontual de luz, sua radiação emergirá radialmente em direção de modo uniforme. Este é considerado um tipo de fonte isotrópica. As frentes de ondas resultantes serão superfícies esféricas concêntricas que se expandem no espaço que envolve tal simetria.
Uma fonte pontual produz uma onda esférica. Se a luz partir de duas fontes pontuais que 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 ao lado mostra a interferência entre duas ondas esféricas pontuais de diferentes comprimentos de onda e distância entre as 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.
Múltiplas ondas Frequentemente acontece de mais de duas ondas passarem simultaneamente pela mesma região. Quando ouvimos um concerto, por exemplo, as ondas dos vários instrumentos musicais chegam aos nossos ouvidos ao mesmo tempo. Neste caso, ocorre interferência, desde que as diferenças de fase entre elas permaneçam constantes durante o período de observação.
Quando há superposição de várias ondas de uma mesma frequência e amplitude a onda resultante se resume a zero (ou seja, interfere destrutivamente). 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.
Experimento de Young miniaturadaimagem|Representação de interferência entre duas ondas de mesma amplitude. No primeiro caso (esquerda) as ondas se encontram com uma diferença de fase ⲫ=0, causando uma interferência totalmente construtiva e resultando em uma onda com amplitude dobrada. No segundo caso (direita) as ondas se encontram com uma diferença de fase ⲫ= 𝜋 rad ou 180º, causando uma interferência destrutiva e a resultando em uma onda com amplitude zero. thumb|270x270px|Ilustração da Experiência de Young, onde temos os anteparos representados por S1, S2 e F. S1 é o anteparo que contém uma fenda, S2 é o anteparo que contém duas fendas e F é o anteparo final, também podendo ser chamado de tela detectora, que é onde as franjas claras e escuras são formadas no resultado final do experimento. Um dos primeiros experimentos que comprovaram que a luz tem características e comportamentos ondulatórios, foi feito por Thomas Young na Inglaterra, em 1801. A natureza da luz já era muito discutida antes do experimento ser feito, com alguns cientistas defendendo a hipótese corpuscular, ou seja, que a luz era formada por partículas, e outros defendendo a hipótese ondulatória, ou seja, que a luz era uma onda. Portanto, já existiam teorias sobre a característica ondulatória da luz, mas não existiam comprovações experimentais até então. O experimento de Young (ou experimento de dupla fenda) foi um dos experimentos decisivos em favor da hipótese ondulatória. Nele é possível observar dois efeitos característicos de ondas: a interferência (superposição de ondas) e a difração.
Como já comentado, a interferência entre duas ondas depende da diferença de fase entre as ondas. Em ótica, a diferença de fase pode resultado de duas situações diferentes:
As ondas de luz percorrem diferentes caminhos óticos, sendo o caminho ótico definido como o produto do índice de refração do meio (n) e da distância percorrida (d). Portanto, uma diferença de caminho ótico pode surgir se as ondas percorrem distâncias diferentes entre a sua fonte e o ponto onde se interferem ou se propagam em meios diferentes; Por reflexão, causando uma mudança de fase. Mais detalhes sobre isto na seção sobre interferência em filmes finos.
No experimento de Young, a interferência é resultado da diferença de caminho ótico. O experimento consiste em usar uma fonte de luz, que passa por uma primeira fenda S1 (forçando uma coerência e espalhamento) para depois essa luz atingir um outro anteparo com duas fendas (S2), sendo todas essas fendas bem estreitas e na ordem do comprimento de onda da luz utilizado. Essas duas fendas funcionam como fontes de luz de ondas, que se combinam/interferem da mesma forma que duas ondas na água se combinam quando se encontram, causando interferência. Desse jeito, em uma tela de observação F, posicionada depois dos dois anteparos de fendas, é possível observar uma figura de interferência, que é causada devido a diferença de fase entre as ondas.
O resultado esperado pelos teóricos que acreditavam que a luz era formada por corpúsculos, seria encontrar no anteparo dois riscos claros de luz. Porém, não foi isso que se observou, na realidade o resultado foi uma sequência de franjas claras e franjas escuras, uma figura padrão que ficou conhecida como figura de interferência. As franjas claras que aparecem no anteparo ocorrem onde têm interferência construtiva (ⲫ=0) e as franjas escuras aparecem onde a interferência é destrutiva (ⲫ=𝜋 rad ou 180º). Assim, é possível notar como a fase das ondas no momento em que se sobrepõe influencia totalmente a onda resultante.
Em 2016, físicos irradiaram um sinal de luz até um satélite e observaram , após o regresso dos fótons, uma interferência quânticaInterference at the single photon level along satellite-ground channels por Giuseppe Vallone, et al, publicado por "Phys. Rev. Lett." (2016) confirmando que características quânticas das partículas permaneceram intactas em uma viagem de 5 mil quilômetros ao espaço.Quantum weirdness survives space travel Photons sent to satellite and back maintain cryptography ability por EMILY CONOVER em "Science News" (2016)
Posição de máximos e mínimos