Cechy światła białego, długości wszelkich jego fal

Całkowite wewnętrzne odbicie, jest to odbicie światła które dochodzi na granicy dwóch ośrodków przezroczystych cechujących się współczynnikami załamania n1 oraz n2, n1>n2. Zjawisko zauważyć można w ośrodku o większym współczynniku załamania. Opierało ono na odbiciu światła dochodzącym bez utraty energii, nie asystuje mu załamanie światła. Zauważamy go w momencie gdy kąt padania ( kąt zawarty między normalną do powierzchni a kierunkiem promienia światła) jest dużo większy od tak zwanego kąta granicznego całkowitego wewnętrznego odbicia. Wartość tegoż kąta przedstawiona jest następującym wzorem:

gr =arcsin(n2/n1).

Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia wykorzystywane w światłowodach, a także stosowane jest w kilku urządzeniach optycznych, np. w poniektórych budowach refraktometrów, czy w pryzmatach całkowitego odbicia.

Światłowód jest to falowód wykorzystywany do przekazywania promieniowania świetlnego. Najpierw był on w formie metalowych rurek o wypolerowanych ścianach, które wykorzystywane były do przekazywania promieniowania podczerwonego. Aktualnie w postaci włókien dielektrycznych - często szklanych, z otuliną z materiału sztucznego, cechującego się małym wskaźnikiem załamania światła aniżeli wartość tego wskaźnika dla szkła. Promień światła rozbiega się w światłowodzie po łamanej drodze. Świadczy to o tym, że wewnątrz ulega następnym odbiciom (w przykładzie światłowodu z włókien są to odbicia całkowite wewnętrzne).

III. Wykorzystanie zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia

Całkowite wewnętrzne odbicie odróżnia się od normalnego odbicia np. od soczewek, gdzie jakaś ilość światła jest zaniedbywana. W związku z brakiem jakichkolwiek ubytków energii przy całkowitym wewnętrznym odbiciu zjawisko to posiada ogromne wykorzystanie praktyczne.

1. Światłowody (uwięziony promień): medycyna, telekomunikacja.

Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia wykorzystywane jest przede wszystkim w światłowodach - są to drobne giętkie włókna stworzone ze szkła kwarcowego albo plastiku. Światłowody przekazują światło z jednego płożenia do kolejnego w wyniku kilku odbić promienia świetlnego od środkowych ścian - promień ten przemieszcza się obok załamań oraz skrętów włókna. Odcinek kabla światłowodu oraz jego zasadę działania prezentuje fotografia:

Światłowody wykorzystuje się w dekoracyjnych lampach stołowych a także do wyświetlania wiadomości na desce rozdzielczej pojazdu przy zastosowaniu jednej żarówki.

Światło w światłowodach kierowane jest do góry, spowodowane jest to następującym odbiciom cieplnym i gdy promień świetlny będzie na wierzchołku wydostaje się z niego.

Kluczowym wykorzystaniem optyki światłowodowej są endoskopy - przyrząd służący do oglądania narządów wewnętrznych człowieka bez potrzeby przeprowadzania operacji (takie jak płuca, przewód pokarmowy, żołądek) jak również duże naczynia krwionośne. Pewna ilość włókien endoskopu wykorzystywana jest do oświetlenia pola widzenia, pozostała część do obserwacji (światło po odbiciu powraca innym światłowodem). By obraz nie był zniekształcony włókna w endoskopach nie są poprzeplatane.

Stomatolodzy stosują światłowody w lampach, które wykorzystują do oświetlania skrytych obszarów w jamie ustnej.

Światłowody są nadzwyczajnie istotne również w telekomunikacji. Światło, pomimo częstych odbić może przebyć duże odległości, nawet po bardzo falistych drogach, bez zmiany natężenia. Światłowody zastępują zatem ogromne, wielkie, grube i przede wszystkim kosztowne przewody miedziane np. wskutek małych utrat wiadomości podczas przenoszenia informacji. Wszystko przemawia za tym, iż przyszłość telefonów oraz telekomunikacji, głównie jeśli mówimy o transferach znacznych ilości informacji, należeć będzie do światłowodów. Kolejną cechą światłowodów jest także to, iż światło na skutek bardzo małej długość fali (zatem duża częstotliwość - większa aniżeli częstotliwość prądu elektrycznego) może być nośnikiem znacznej ilości informacji. W dodatku w porównaniu do prądu elektrycznego światło nie jest czuły na temperaturę czy przekształcenia pola magnetycznego. Na skutek tego znaki świetlne nie ustępują zaburzeniom, nie da się ich również podsłuchiwać.

Oświetlenie fontann, świecąca struga wody.

Przyrządu optyczne, w nich bardzo często wykorzystywane są pryzmaty prostokątne równoramienne by zmienić bieg promieni (lornetka, refraktometr).

Światła odblaskowe.

Defektem ich jest mały limit kątów, w których dokonują swoje zadanie (wąski aniżeli dla świateł o takiej samej formie ale wysrebrzonej powierzchni). Aktualnie bardzo często zamienia się zatem światła paseczkami pomalowanymi farbą mającą w sobie małe kuleczki szklane - odblask tych paseczków powstaje na skutek całkowitego wewnętrznego odbicia wewnątrz kulek.

Jubilerstwo.

Całkowite wewnętrzne odbicie stosowane jest również przy doskonaleniu szlachetnych kamieni np. diamentów. Wygładzony diament (brylant), jest udoskonalany w ten sposób, by w kamieniu całkowicie załamywało się 80% promieni. Promienie, które padają od środka pod kątami większymi od kąta granicznego (w przybliżeniu 24,5° - uzależnione jest to od koloru światła) ulegają całkowitemu wewnętrznemu odbiciu a następnie wydostają się (po załamaniu) na zewnątrz. To jest powodem mieniącego się odblasku diamentu.

Bieg promieni świetlnych w brylancie.

W naturalnej formie.

Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia następuje u niedźwiedzi polarnych. Sierść na ich futrze dla światła są przejrzyste. Ich biały kolor bierze się z tego, iż światło odbija się od nierównej powierzchni, która przykrywa wnętrze zagłębienia przy każdym z włosków. Włosy te łapią jeszcze promieniowanie nadfioletowe, które jest później przekazywane do skóry, tak samo jak w światłowodzie. Skóra bardzo dobrze pochłania wszystkie typy energii słonecznej i dlatego ma kolor czarny. Niedźwiedź polarny jest zatem równocześnie biały oraz czarny, aa dodatkowo ciągle ciepły.

Również kilka zjawisk następujących w przyrodzie interpretujemy całkowitym wewnętrznym odbiciem światła. Na przykład: fatamorgana (miraż), połysk gorącej drogi (tzw. szosowa fatamorgana).

Oryginalna fatamorgana, czyli mylące widoczki oaz na pustyni - na ogół odwrócone do góry nogami - tworzą się na skutek wyprodukowania się nad piaskiem warstwy powietrza o powiększonej gęstości, która tak samo jak światłowód przekazuje promienie świetlne obok powierzchni ziemi pokonując dysproporcje terenu(konieczna jest wówczas bezwietrznej aura oraz gwałtowne zmiany temperatur).

Fatamorgana szosowa to wyobrażenie, objawiające się na obserwacji na ulicy kałuży, w której odbija się pojazd, drzewo. Zjawiska te są następstwem całkowitego wewnętrznego odbicia światła od cienkiej warstwy rozgrzanego powietrza, dokładnie nad rozgrzaną powierzchnią ulicy.