Efectele tipice de iluminare pe care fiecare persoană le întâlnește adesea în viața de zi cu zi sunt reflexia și refracția. În acest articol, vom lua în considerare cazul în care ambele efecte se manifestă în cadrul aceluiași proces, vom vorbi despre fenomenul de reflexie totală internă.
Reflexia luminii
Înainte de a lua în considerare fenomenul de reflexie totală internă a luminii, ar trebui să vă familiarizați cu efectele reflexiei și refracției obișnuite. Să începem cu primul. Pentru simplitate, vom lua în considerare doar lumina, deși aceste fenomene sunt caracteristice unui val de orice natură.
Reflexia este înțeleasă ca o schimbare a unei traiectorii rectilinie, de-a lungul căreia o rază de lumină se deplasează, către o altă traiectorie rectilinie, atunci când întâlnește un obstacol în drum. Acest efect poate fi observat atunci când îndreptați un indicator laser către o oglindă. Apariția imaginilor cu cerul și copacii atunci când privești suprafața apei este, de asemenea, rezultatul reflectării luminii soarelui.
Următoarea lege este valabilă pentru reflexie: unghiurileincidența și reflexia se află în același plan împreună cu perpendiculara pe suprafața reflectoare și sunt egale între ele.
Refracția luminii
Efectul refracției este similar cu reflexia, doar că apare dacă obstacolul din calea fasciculului de lumină este un alt mediu transparent. În acest caz, o parte a fasciculului inițial este reflectată de la suprafață, iar o parte trece în al doilea mediu. Această ultimă parte se numește fascicul refractat, iar unghiul pe care îl formează cu perpendiculara pe interfață se numește unghi de refracție. Fasciculul refractat se află în același plan cu fasciculul reflectat și incident.
Exemple puternice de refracție sunt ruperea unui creion într-un pahar cu apă sau adâncimea înșelătoare a unui lac atunci când o persoană privește în jos pe fundul acestuia.
Din punct de vedere matematic, acest fenomen este descris folosind legea lui Snell. Formula corespunzătoare arată astfel:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ 2).
Aici unghiurile de incidență și de refracție sunt notate ca θ1 și, respectiv, θ2. Cantitățile n1, n2 reflectă viteza luminii în fiecare mediu. Aceștia sunt numiți indici de refracție ai mediilor. Cu cât n este mai mare, cu atât lumina se deplasează mai lent într-un anumit material. De exemplu, în apă viteza luminii este cu 25% mai mică decât în aer, deci pentru aceasta indicele de refracție este 1,33 (pentru aer este 1).
Fenomenul reflexiei interne totale
Legea refracției luminii duce la unulun rezultat interesant când raza se propagă dintr-un mediu cu n mare. Să luăm în considerare mai detaliat ce se va întâmpla cu fasciculul în acest caz. Să scriem formula lui Snell:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ 2).
Vom presupune că n1>n2. În acest caz, pentru ca egalitatea să rămână adevărată, θ1 trebuie să fie mai mic de θ2. Această concluzie este întotdeauna valabilă, deoarece sunt luate în considerare numai unghiurile de la 0o la 90o, în cadrul cărora funcția sinus este în continuă creștere. Astfel, atunci când lăsați un mediu optic mai dens pentru unul mai puțin dens (n1>n2), fasciculul se abate mai mult de la normal.
Acum să mărim unghiul θ1. Ca urmare, va veni momentul în care θ2 va fi egal cu 90o. Are loc un fenomen uimitor: un fascicul emis dintr-un mediu mai dens va rămâne în el, adică pentru acesta interfața dintre două materiale transparente va deveni opac.
Unghiul critic
Unghiul θ1, pentru care θ2=90o, se numește critic pentru perechea considerată de media. Orice rază care lovește interfața la un unghi mai mare decât unghiul critic este reflectată complet în primul mediu. Pentru unghiul critic θc se poate scrie o expresie care decurge direct din formula lui Snell:
sin (θc)=n2 / n1.
Dacăal doilea mediu este aerul, apoi această egalitate este simplificată la forma:
sin (θc)=1 / n1.
De exemplu, unghiul critic pentru apă este:
θc=arcsin (1 / 1, 33)=48, 75o.
Dacă te scufunzi în fundul piscinei și te uiți în sus, poți vedea cerul și norii trecând peste el doar deasupra capului tău, pe restul suprafeței apei vor fi vizibili doar pereții piscinei.
Din raționamentul de mai sus, reiese clar că, spre deosebire de refracție, reflexia totală nu este un fenomen reversibil, el apare doar la trecerea de la un mediu mai dens la un mediu mai puțin dens, dar nu și invers.
Reflecție totală în natură și tehnologie
Poate că cel mai frecvent efect în natură, care este imposibil fără reflexie totală, este curcubeul. Culorile curcubeului sunt rezultatul dispersării luminii albe în picături de ploaie. Cu toate acestea, atunci când razele trec în interiorul acestor picături, ele experimentează o reflexie internă simplă sau dublă. De aceea curcubeul apare întotdeauna dublu.
Fenomenul de reflexie totală internă este utilizat în tehnologia fibrei optice. Datorită fibrelor optice, este posibilă transmiterea undelor electromagnetice fără pierderi pe distanțe lungi.
