Что такое внутреннее отражение

Полное внутреннее отражение: что это такое, формула, пример расчета, применение

Вам интересно, почему полное отражение электромагнитных волн зависит от различных сред и углов? А как можно вычислить угол, при которым происходит полное внутреннее отражение? Именно об этом вы узнаете далее из моей статьи.

Описание явления и формула

Свет, то есть электромагнитная волна в диапазоне от 380 нм до 780 нм, достигая границы сред, может претерпевать два явления: отражение и преломление (рис. 1.).

Рис. 1. Свет, падающий на границу между средами с различными показателями преломления, может претерпевать два явления: отражение и преломление.

Однако иногда случается, что явление преломления не происходит. Давайте рассмотрим это подробнее. В первой среде, показатель преломления которой будет больше, чем во второй, поместим источник света под малым углом падения. Затем вы заметите, что оба явления имеют место. Теперь давайте постепенно увеличивать угол падения. В определенный момент мы достигнем ситуации, когда угол преломления будет равен 90° и свет будет «скользить» через границу сред (рис. 2.). Угол падения в этом случае называется предельным углом.

Рис. 2. Свет, падающий на границу сред под граничным углом, «скользит» через границу

Предельный угол α_пр (или критический угол) — максимальный угол падения света на границе двух сред, при котором происходит явление преломления.

Если продолжать увеличивать угол падения, то явление преломления не произойдет. Мы будем наблюдать только отражение. Это называется полным внутренним отражением. Это явление было описано в первой половине 19 века независимо друг от друга Жаком Бабинэ и Жаном-Даниэлем Колладоном.

Если n1 > n2 и угол падения больше предельного угла α_пр, то преломление отсутствует, т.е. происходит полное внутреннее отражение (см. рисунок 3).

Таким образом, если световая волна падает на границу двух сред таким образом, что угол падения больше arcsin ( n₂ / n₁ ), то мы говорим о полном внутреннем отражении света.

Но как именно можно определить, является ли среда оптически более плотной или менее плотной?

Закон преломления света можно использовать для описания изменения направления электромагнитных волн при их прохождении через различные среды. Прежде всего, необходимо дать некоторые определения.

В случае полного внутреннего отражения угол падения или предельный угол α_пр равен отношению показателя преломления оптически более плотной среды к оптически менее плотной среде.

Примеры расчёта

Давайте перейдем от теории к практике и проиллюстрируем, как можно рассчитать предельный угол полного внутреннего отражения. В примере электромагнитная волна из воды попадает в воздух.

На основе определенного предельного угла можно определить три результирующие области:

Если свет проникает через воду и попадает в оптически менее плотную среду — воздух под углом меньше 48,6°, то можно заметить, что часть света отражается, а часть преломляется в пограничном слое (см. рисунок 4).

Рис. 4. Переход света из воды в воздух α

Однако если свет падает на воздух с определенным предельным углом равным 48,6°, часть электромагнитной волны пройдет точно на границе раздела сред. Другая часть отразится (см. рисунок 5).

Рис. 5. Переход света из воды в воздух с α=48,6 градусов

Однако существуют некоторые ограничения, чтобы не нарушить общее отражение. Оптически менее плотная среда должна иметь определенную минимальную толщину. Кроме того, оптически менее плотная среда не должна быть абсорбирующей.

Применение

Далее рассматриваются некоторые примеры практического применения принципа полного внутреннего отражения электромагнитных волн.

Эффект полного внутреннего отражения особенно полезен для оптических волокон, таких как оптоволоконные кабели. Оптоволоконные кабели состоят из сердечника и оболочки. Сердечник из стекловолокна является оптически плотной средой, а оболочка — оптически менее плотной средой. Благодаря полному внутреннему отражению, свет внутри оптоволоконного кабеля почти полностью отражается от оболочки и остается в сердцевине.

Известный всем кабельный интернет также передается с помощью оптоволоконных кабелей. Здесь электрические сигналы преобразуются в электромагнитные импульсы с помощью электрооптических преобразователей.

Призмы часто используются в оптике. Эти призмы обладают физическим эффектом дисперсии. Благодаря различным частотам электромагнитных волн, призмы могут быть использованы для разделения света на его спектр или спектральные цвета.

Другой важной областью, в которой явление полного внутреннего отражения нашло ряд применений, является медицина. Здесь в первую очередь следует отметить возможность заглянуть внутрь тела без хирургического вмешательства. Для этой цели служит устройство, состоящее из нескольких оптических волокон, объединенных вместе. Это нашло применение прежде всего в эндоскопии, которая позволяет проводить неинвазивное обследование, а также брать биопсию и проводить небольшие хирургические вмешательства.

Одно из самых популярных и известных применений этого явления — ювелирная промышленность. Он заключается в придании полированному камню соответствующей формы и покрытии его симметричными плоскостями, так что внутри камня происходит полное внутреннее отражение, и около 80% лучей преломляются. Это позволяет наблюдать характерный блеск бриллиантов

Список использованной литературы

При написании статьи использовались следующие источники информации:

Источник

Внутреннее отражение

Вну́треннее отраже́ние — явление отражения электромагнитных волн от границы раздела двух прозрачных сред при условии, что волна падает из среды с бо́льшим показателем преломления.

Неполное внутреннее отражение — внутреннее отражение, при условии, что угол падения меньше критического угла. В этом случае луч раздваивается на преломлённый и отражённый.

Полное внутреннее отражение — внутреннее отражение, при условии, что угол падения превосходит некоторый критический угол. При этом падающая волна отражается полностью, и значение коэффициента отражения превосходит его самые большие значения для полированных поверхностей. К тому же, коэффициент отражения при полном внутреннем отражении не зависит от длины волны.

Этот оптический феномен наблюдается для широкого спектра электромагнитного излучения включая и рентгеновский диапазон.

В рамках геометрической оптики объяснение явления тривиально: опираясь на закон Снелла и учитывая, что угол преломления не может превышать 90°, получаем, что при угле падения, синус которого больше отношения меньшего коэффициента преломления к большему коэффициенту, электромагнитная волна должна полностью отражаться в первую среду.

В соответствии с волновой теорией явления, электромагнитная волна всё же проникает во вторую среду — там распространяется так называемая «неоднородная волна», которая экспоненциально затухает и энергию с собой не уносит. Характерная глубина проникновения неоднородной волны во вторую среду порядка длины волны.

Полное внутреннее отражение света

Содержание

Пример

Рассмотрим внутреннее отражение на примере двух монохроматических лучей, падающих на границу раздела двух сред. Лучи падают из зоны более плотной среды (обозначена более тёмным голубым цветом) с коэффициентом преломления на границу с менее плотной средой (обозначена светло-голубым цветом) с коэффициентом преломления.

Красный луч падает под углом , то есть на границе сред он раздваивается — частично преломляется и частично отражается. Часть луча преломляется под углом .

Зелёный луч падает и полностью отражается \!\,\alpha _=\!\,\Theta _>» />.

Полное внутреннее отражение в природе и технике

Яркий блеск многих природных кристаллов, а в особенности — огранённых драгоценных и полудрагоценных камней объясняется полным внутренним отражением, в результате которого каждый вошедший в кристалл луч образует большое количество достаточно ярких вышедших лучей, окрашенных в результате дисперсии.

Блеск алмазов, выделяющий их из прочих драгоценных камней, также определяется этим феноменом. Из-за высокого коэффициента преломления (n ≈ 2) алмаза оказывается большим и число внутренних отражений, которые претерпевает луч света с меньшими потерями энергии, по сравнению со стеклом и другими материалами с меньшим показателем преломления.

Отражение рыбки из-под воды, в поверхности раздела вода-воздух.

Полное внутреннее отражение можно наблюдать, если смотреть из-под воды на поверхность: при определенных углах на границе раздела наблюдаеться не внешняя часть (то, что в воздухе), а видно зеркальное отражение объектов, которые находятся в воде.

Светоделительная призма

Непосредственно за первой граничной поверхностью, то есть на расстоянии максимум, равной длине волны света, вторая граничная поверхность имеет тот же коэффициент преломления n₁. Электромагнитная волна света проникает через полосу с коэффициентом преломления n₂ и попадает во вторую граничную поверхность с коэффициентом преломления n₁, но с меньшим значением энергии. Наблюдается раздвоение луча света, часть которого проникла в зону с коэффициентом преломления n₂. В конечном результате луч раздваивается : часть распространяется дальше в первоначальном направлении, в то время как другая часть отражается. Потеря интенсивности в среде n₂ проходит экспоненциально по формуле:

Световод

Эффект полного внутреннего отражения использвуется в световодах. Осевая часть волокна создаётся из стекла с высоким показателем преломления и погружается в оптически менее плотную среду (пластиковая облочка волокна, специальная жидкость, воздух). Такие световоды используются для построения оптоволоконных кабелей

Отражение рентгеновских лучей

При рентгеновском излучении согласно общей формуле значений коэффициента преломления:

вытекает, что вакуум — оптически более плотная среда, чем любое вещество. Значения коэффициента прохождении рентгеновских лучей лежат в области между и и зависят от квантовой энергии излучения, констант кристаллической решётки и плотности вещества.

При небольших углах падения, наблюдается эффект скольжения, преломления рентгеновских лучей с отражением под углом, равным углу падения (θ). Углы скольжения для «жёстких» рентгеновских лучей составляют доли градуса, для «мягких» — примерно 10-20 градусов. [1] [2]

Преломление рентгеновских лучей при скользящем падении было впервые сформулировано М. А. Кумаховым, разработавшим рентгеновское зеркало, и теоретически обосновано Артуром Комптоном в 1923 году.

Другие волновые явления

Демонстрация преломления, а значит и эффекта полного внутреннего отражения возможна, например, для звуковых волн на поверхности и в толще жидкости при переходе между зонами различной вязкости или плотности.

Явления, сходные с эффектом полного внутреннего отражения электромагнитного излучения, наблюдаются для пучков медленных нейтронов. [3]

Примечания

bg:Пълно вътрешно отражение ca:Angle crític de:Totalreflexion en:Total internal reflection es:Reflexión interna total fi:Kokonaisheijastuminen fr:Réflexion totale he:החזרה גמורה it:Riflessione interna totale ja:全反射 kn:ಸಂಪೂರ್ಣ ಆಂತರಿಕ ಪ್ರತಿಫಲನ ko:전반사 lt:Visiškas vidaus atspindys ml:പൂര്‍ണ്ണ ആന്തരിക പ്രതിഫലനം nl:Totale interne reflectie pl:Całkowite wewnętrzne odbicie pt:Reflexão total sl:Popolni odboj sv:Totalreflexion uk:Повне внутрішнє відбиття zh:全內反射

Источник

Внутреннее отражение

Вну́треннее отраже́ние — явление отражения электромагнитных или звуковых волн от границы раздела двух сред при условии, что волна падает из среды, где скорость ее распространения меньше (в случае световых лучей это соответствует бо́льшему показателю преломления).

Неполное внутреннее отражение — внутреннее отражение, при условии, что угол падения меньше критического угла. В этом случае луч раздваивается на преломлённый и отражённый.

Полное внутреннее отражение — внутреннее отражение, при условии, что угол падения превосходит некоторый критический угол. При этом падающая волна отражается полностью, и значение коэффициента отражения превосходит его самые большие значения для полированных поверхностей. Коэффициент отражения при полном внутреннем отражении не зависит от длины волны.

В оптике это явление наблюдается для широкого спектра электромагнитного излучения, включая рентгеновский диапазон.

В геометрической оптике явление объясняется в рамках закона Снелла. Учитывая, что угол преломления не может превышать 90°, получаем, что при угле падения, синус которого больше отношения меньшего показателя преломления к большему показателю, электромагнитная волна должна полностью отражаться в первую среду.

В соответствии с волновой теорией явления, электромагнитная волна всё же проникает во вторую среду — там распространяется так называемая «неоднородная волна», которая экспоненциально затухает и энергию с собой не уносит. Характерная глубина проникновения неоднородной волны во вторую среду порядка длины волны.

Содержание

Пример

Рассмотрим внутреннее отражение на примере двух монохроматических лучей, падающих на границу раздела двух сред. Лучи падают из зоны более плотной среды (обозначена более тёмным голубым цветом) с показателем преломления на границу с менее плотной средой (обозначена светло-голубым цветом) с показателем преломления .

Красный луч падает под углом , то есть на границе сред он раздваивается — частично преломляется и частично отражается. Часть луча преломляется под углом .

Зелёный луч падает и полностью отражается \!\,\alpha _c=\!\,\Theta_c» border=»0″ />.

Полное внутреннее отражение в природе и технике

Фата-моргана, эффекты миража, например иллюзия мокрой дороги при летней жаре. Здесь отражения возникают из-за полного отражения между слоями воздуха с разной температурой.

Яркий блеск многих природных кристаллов, а в особенности — огранённых драгоценных и полудрагоценных камней объясняется полным внутренним отражением, в результате которого каждый вошедший в кристалл луч образует большое количество достаточно ярких вышедших лучей, окрашенных в результате дисперсии.

Блеск алмазов, выделяющий их из прочих драгоценных камней, также определяется этим феноменом. Из-за высокого показателя преломления (n ≈ 2) алмаза оказывается большим и число внутренних отражений, которые претерпевает луч света с меньшими потерями энергии, по сравнению со стеклом и другими материалами с меньшим показателем преломления.

Полное внутреннее отражение можно наблюдать, если смотреть из-под воды на поверхность: при определенных углах на границе раздела наблюдается не внешняя часть (то, что в воздухе), а видно зеркальное отражение объектов, которые находятся в воде.

Светоделительный куб

Непосредственно за первой граничной поверхностью, то есть на расстоянии максимум, равной длине волны света, вторая граничная поверхность имеет тот же показатель преломления n₁. Электромагнитная волна света проникает через полосу с показателем преломления n₂ и попадает во вторую граничную поверхность с показателем преломления n₁, но с меньшим значением энергии. Наблюдается раздвоение луча света, часть которого проникла в зону с показателем преломления n₂. В конечном результате луч раздваивается : часть распространяется дальше в первоначальном направлении, в то время как другая часть отражается. Потеря интенсивности в среде n₂ проходит экспоненциально по формуле:

Световод

Эффект полного внутреннего отражения используется в оптических волокнах. Осевая часть волокна (сердцевина) формируется из стекла с более высоким показателем преломления, чем окружающая оболочка. Такие световоды используются для построения волоконно-оптических кабелей

Отражение рентгеновских лучей

При рентгеновском излучении согласно общей формуле значений показателя преломления:

вытекает, что вакуум — оптически более плотная среда, чем любое вещество. Значения коэффициента прохождении рентгеновских лучей лежат в области между и и зависят от квантовой энергии излучения, констант кристаллической решётки и плотности вещества.

При небольших углах падения, наблюдается эффект скольжения, преломления рентгеновских лучей с отражением под углом, равным углу падения (θ). Углы скольжения для «жёстких» рентгеновских лучей составляют доли градуса, для «мягких» — примерно 10-20 градусов. [3] [4]

Преломление рентгеновских лучей при скользящем падении было впервые сформулировано М. А. Кумаховым, разработавшим рентгеновское зеркало, и теоретически обосновано Артуром Комптоном в 1923 году.

Другие волновые явления

Демонстрация преломления, а значит и эффекта полного внутреннего отражения возможна, например, для звуковых волн на поверхности и в толще жидкости при переходе между зонами различной вязкости или плотности.

Явления, сходные с эффектом полного внутреннего отражения электромагнитного излучения, наблюдаются для пучков медленных нейтронов. [5]

Если на поверхность раздела падает вертикально поляризованная волна под углом Брюстера, то будет наблюдаться эффект полного преломления — отраженная волна будет отсутствовать.

См. также

Примечания

Полезное

Смотреть что такое «Внутреннее отражение» в других словарях:

внутреннее отражение — vidaus atspindys statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. internal reflection vok. innere Reflexion, f rus. внутреннее отражение, n pranc. réflexion interne, f … Radioelektronikos terminų žodynas

Внутреннее отражение электромагнитных волн — Внутреннее отражение явление отражения электромагнитных волн от границы раздела двух прозрачных сред при условии, что волна падает из среды с большим показателем преломления. Неполное внутреннее отражение внутреннее отражение, при условии, что… … Википедия

Полное внутреннее отражение — отражение оптического излучения (См. Оптическое излучение) (света) или электромагнитного излучения другого диапазона (например, радиоволн) при его падении на границу раздела двух прозрачных сред из среды с большим преломления показателем… … Большая советская энциклопедия

Неполное внутреннее отражение — Внутреннее отражение явление отражения электромагнитных волн от границы раздела двух прозрачных сред при условии, что волна падает из среды с большим показателем преломления. Неполное внутреннее отражение внутреннее отражение, при условии, что… … Википедия

Полное внутреннее отражение — Внутреннее отражение явление отражения электромагнитных волн от границы раздела двух прозрачных сред при условии, что волна падает из среды с большим показателем преломления. Неполное внутреннее отражение внутреннее отражение, при условии, что… … Википедия

ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ — отражение эл. магн. излучения (в частности, света) при его падении на границу раздела двух прозрачных сред из среды с большим показателем преломления. П. в. о. осуществляется, когда угол падения i превосходит нек рый предельный (критический) угол … Физическая энциклопедия

Полное внутреннее отражение — Полное внутреннее отражение. При прохождении света из среды с n1 > n2 происходит полное внутреннее отражение, если угол падения a2 > aпр; при угле падения a1 Иллюстрированный энциклопедический словарь

ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ — электромагнитных волн, происходит при прохождении их из среды с большим показателем преломления n1 в среду с меньшим показателем преломления n2 под углом падения a, превышающим предельный угол aпр, определяемый соотношением sinaпр=n2/n1. Полным… … Современная энциклопедия

НАРУШЕННОЕ ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ — (НПВО), явление, основанное на проникновении световой волны из оптически более плотной среды (с показателем преломления n1) в менее плотную среду (с показателем преломления n2) на глубину порядка длины волны при полном внутреннем отражении.… … Физическая энциклопедия

полное внутреннее отражение — электромагнитных волн, происходит при наклонном падении на границу раздела 2 сред, когда излучение проходит из среды с большим показателем преломления n1 в среду с меньшим показателем преломления n2, а угол падения i превышает предельный угол iпр … Энциклопедический словарь

Источник