Συνολικές εσωτερικές αντανακλάσεις και οι εφαρμογές τους

Μια πλήρης αντανάκλαση μιας δέσμης φωτός από τις γύρω επιφάνειες πίσω σε ένα μέσο όπως το νερό ή το γυαλί είναι γνωστή ως ολική εσωτερική ανάκλαση. Όταν η γωνία πρόσπτωσης υπερβαίνει μια συγκεκριμένη οριακή γωνία, γνωστή ως κρίσιμη γωνία, συμβαίνουν τα φαινόμενα. Η ολική εσωτερική ανάκλαση συμβαίνει όταν μια ακτίνα φωτός από ένα μέσο με υψηλότερο δείκτη διάθλασης πλησιάζει το άλλο μέσο σε γωνία πρόσπτωσης μεγαλύτερη από την κρίσιμη γωνία στο όριο μεταξύ δύο διαφανών μέσων. Η κρίσιμη γωνία όταν τα μέσα είναι νερό και αέρας είναι 48,5o . Επειδή οι δείκτες διάθλασης εξαρτώνται από το μήκος κύματος, η κρίσιμη γωνία (και επομένως η γωνία συνολικής εσωτερικής ανάκλασης) ποικίλλει ελαφρώς ανάλογα με το μήκος κύματος και, επομένως, με το χρώμα. Τόσο η διάθλαση όσο και η ανάκλαση εμφανίζονται σε διαφορετικές ποσότητες σε όλες τις γωνίες μικρότερες από την κρίσιμη γωνία.

Τα γυάλινα πρίσματα χρησιμοποιούνται σε κιάλια, περισκόπια, τηλεσκόπια και άλλο οπτικό εξοπλισμό επειδή μπορεί να είναι καμπυλωμένα για να επιτύχουν πλήρη εσωτερική ανάκλαση. Η πολλαπλή ολική εσωτερική ανάκλαση σε γυάλινες ή πλαστικές ράβδους ή ίνες μπορεί να μεταφέρει δέσμες φωτός κατά μήκος μακρών, περιστρεφόμενων διαδρομών.

Αντανάκλαση φωτός

Όταν μια ακτίνα φωτός χτυπά μια λεία γυαλισμένη επιφάνεια και αναπηδά, αυτό αναφέρεται ως ανάκλαση φωτός. Η προσπίπτουσα φωτεινή ακτίνα λέγεται ότι ανακλάται από την επιφάνεια όταν προσγειώνεται πάνω της. Η ακτίνα που αναπηδά προς τα πίσω ονομάζεται ανακλώμενη ακτίνα. Και η κάθετη που σχεδιάζεται σε μια ανακλαστική επιφάνεια είναι γνωστή ως κανονική.

Νόμοι του προβληματισμού

1. Η προσπίπτουσα ακτίνα, η ανακλώμενη ακτίνα και η κανονική πρέπει να βρίσκονται στο επίπεδο, δηλαδή στην ανακλώσα επιφάνεια

2. Η γωνία που δημιουργεί η προσπίπτουσα ακτίνα με την κανονική πρέπει να είναι ίση με τη γωνία που δημιουργεί η ανακλώμενη ακτίνα με την κανονική.

Διάθλαση φωτός

Η κάμψη ενός κύματος καθώς ταξιδεύει από το ένα μέσο στο άλλο είναι γνωστή ως διάθλαση. Η διαφορά στην πυκνότητα μεταξύ των δύο ουσιών προκαλεί την κάμψη.

Όταν το φως περνά μέσα από το γυαλί, επιβραδύνεται και αλλάζει ελαφρώς την πορεία του. Το διαθλασμένο φως κάμπτεται περισσότερο προς την κανονική γραμμή καθώς μεταβαίνει από ένα λιγότερο πυκνό στερεό σε μια πιο πυκνή ουσία. Η δέσμη φωτός δεν διαθλάται καθώς πλησιάζει το φράγμα σε κατεύθυνση που είναι κάθετη σε αυτό, παρά την αλλαγή στην ταχύτητα.

Συνολική εσωτερική αντανάκλαση:

Ας εξετάσουμε μια ακτίνα φωτός που ταξιδεύει από το νερό στον αέρα. Η ακτίνα φωτός θα διαθλαστεί στο σημείο διαχωρισμού των δύο μέσων. Η διαθλασμένη ακτίνα φωτός κάμπτεται μακριά από το κανονικό καθώς περνά από το νερό προς τον αέρα. Η προσπίπτουσα ακτίνα φωτός διαθλάται με τέτοιο τρόπο ώστε να περνά στην επιφάνεια του νερού σε μια δεδομένη γωνία πρόσπτωσης. Η γωνία διάθλασης είναι 90ο. Όταν η γωνία πρόσπτωσης είναι μεγαλύτερη από την κρίσιμη γωνία, η ακτίνα φωτός ανακλάται πίσω στο πυκνότερο μέσο. Αυτή η συμπεριφορά είναι γνωστή ως συνολική εσωτερική αντανάκλαση.

Τύποι που σχετίζονται με τον συνολικό εσωτερικό προβληματισμό

• Ο τύπος που σχετίζεται με την αναλογία των δεικτών διάθλασης των μέσων και τη γωνία πρόσπτωσης και διάθλασης είναι:

n1 / n2=sin r / sin i

Όπου, n1, n2 είναι οι δείκτες διάθλασης του μέσου 1 και του μέσου 2 αντίστοιχα, i είναι η γωνία πρόσπτωσης και r είναι η γωνία διάθλασης.

• Ο τύπος που θα μας δώσει την κρίσιμη γωνία για ένα ζευγάρι μέσα είναι:

sinθ =n2 / n1

Πού, είναι η κρίσιμη γωνία.

Απαιτούμενες συνθήκες για πλήρη εσωτερική αντανάκλαση

Οι συνθήκες που απαιτούνται για να πραγματοποιηθεί ο συνολικός εσωτερικός προβληματισμός είναι:

1. Η ακτίνα φωτός πρέπει να ταξιδεύει από το πυκνότερο μέσο προς ένα πιο σπάνιο μέσο.

2. Η γωνία που δημιουργεί η προσπίπτουσα ακτίνα με την κανονική θα πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την κρίσιμη γωνία για αυτό το ζεύγος μέσων.

Εφαρμογές συνολικής εσωτερικής αντανάκλασης:

1. Υπηρεσίες τηλεπικοινωνιών: Οι ISP (Internet Service Providers) βασίζονται κυρίως στις τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες για να μας παρέχουν συνδεσιμότητα στο Διαδίκτυο. Αρχικά, τα καλώδια ευρυζωνικότητας χρησιμοποιούνταν για τη σύνδεση κατοικιών και επιχειρήσεων με το Διαδίκτυο, αλλά το καλώδιο οπτικών ινών γίνεται όλο και πιο διαδεδομένο. Λειτουργεί με βάση την αρχή της συνολικής εσωτερικής ανάκλασης και μπορεί να προσφέρει ταχύτητες έως και 100 φορές μεγαλύτερες από τις τυπικές ευρυζωνικές συνδέσεις. Όταν χρειαζόταν να αναβαθμίσετε την ευρυζωνική σύνδεσή σας για περισσότερο εύρος ζώνης δεδομένων (ταχύτητα δεδομένων), έπρεπε να αναβαθμίσετε και τα καλώδια. Ωστόσο, με τα καλώδια οπτικών ινών, μπορείτε θεωρητικά να μεταφέρετε μεγάλο όγκο δεδομένων (ταχύτητα σε Petabytes) στα ίδια καλώδια και η ταχύτητα περιορίζεται μόνο από τον ISP και το πρόγραμμα δεδομένων σας.

2. Κοπή διαμαντιών: Όταν ένας κοσμηματοπώλης αλέθει ένα διαμάντι, διασφαλίζει ότι η επιφάνεια αλέθεται σε γωνία 23 μοιρών, έτσι ώστε το φως που εισέρχεται στο διαμάντι να ανακλάται εσωτερικά και το διαμάντι να λάμπει. Όσο μεγαλύτερη είναι η λάμψη του διαμαντιού, τόσο μεγαλύτερη είναι η αγοραία αξία του.

3. Σχηματισμός Mirage: μπορεί να έχουμε δει σε ταινίες ότι υπάρχει ένας αντικατοπτρισμός μιας όασης στην έρημο (βασικά μια μικρή λίμνη στην έρημο). Για πολύ καιρό, οι πεζοί σε τοποθεσίες της ερήμου έχουν μπερδευτεί από αντικατοπτρισμούς. Όταν το φως από μια πραγματική όαση αντανακλάται εντελώς εσωτερικά στον αέρα, δημιουργούνται αντικατοπτρισμοί. Οι έρημοι είναι εξαιρετικά ζεστές, με τον αέρα κοντά στο έδαφος να είναι σημαντικά θερμότερος από τον αέρα πάνω από αυτό. Η εσωτερική ανάκλαση προκύπτει ως αποτέλεσμα μιας διαφοράς στον δείκτη διάθλασης του θερμαινόμενου και σχετικά ψυχρότερου αέρα.

Συμπέρασμα

Ο συνολικός εσωτερικός προβληματισμός είναι ένα φαινόμενο που εμπλέκεται ασυνείδητα σε πολλές πτυχές της ζωής μας και είναι η πηγή μιας ποικιλίας εφαρμογών στην καθημερινή μας ζωή.