Refracţie

De la Wikipedia, enciclopedia liberă

$Creionul pare a fi frânt, din cauza refracţiei luminii la interfaţa dintre apă şi aer.$

Creionul pare a fi frânt, din cauza refracţiei luminii la interfaţa dintre apă şi aer.

$Refracţia luminii la interfaţa apă-aer este responsabilă pentru aparenta discontinuitate a formei obiectului din apă. Este de remarcat faptul că poziţia aparentă este (marcată X) este la o adâncime mai mică decât poziţia reală (Y) a capătului barei).$

Refracţia luminii la interfaţa apă-aer este responsabilă pentru aparenta discontinuitate a formei obiectului din apă. Este de remarcat faptul că poziţia aparentă este (marcată X) este la o adâncime mai mică decât poziţia reală (Y) a capătului barei).

Refracţia este schimbarea direcţiei de propagare a unei unde din cauza schimbării vitezei de propagare, cel mai adesea la interfaţa dintre două medii sau la gradientul local al proprietăţilor mediului în care se propagă. Cel mai uşor de observat exemplu este în cazul luminii, atunci când aceasta trece dintr-un mediu transparent (aer, apă, sticlă etc.) în altul. Totuşi fenomenul se petrece cu toate undele, inclusiv cu cele sonore.

La interfaţa dintre două medii, viteza de fază şi lungimea de undă se modifică, unda îşi schimbă direcţia, însă frecvenţa rămâne aceeaşi. În optică, pentru studiul refracţiei se foloseşte noţiunea de indice de refracţie, care este direct legată de viteza de propagare. Lentilele şi prismele optice se bazează pe fenomenul de refracţie pentru a modifica direcţia razelor de lumină.

Odată cu refracţia are loc şi reflexia, adică o parte a undei se reflectă înapoi în mediul iniţial, după legile obişnuite ale reflexiei (cu excepţia cazului în care unghiul de incidenţă este nul, sau dacă avem de-a face cu materiale speciale, cu indice de refracţie negativ).

[modifică] Efecte

Cel mai adesea în viaţa de zi cu zi se poate observa refracţia atunci când privim într-un vas cu apă: obiectele par a fi mai aproape de suprafaţă decât sunt, iar poziţia lor pare a se schimba odată cu unghiul din care sunt privite. Pentru a determina poziţia unui obiect creierul uman analizează o pereche de raze de lumină venite de la acel obiect, încercând să afle unde se intersectează. De aceea în imaginile alăturate sunt prezentate perechi de raze care se refractă împreună (deşi sub un unghi uşor diferit, din cauza unghiurilor de incidenţă diferite).

Tot refracţia este fenomenul din spatele curcubeului, ori a mirajelor care apar, de exemplu în deşert, atunci când temperatura aerului variază foarte rapid cu înălţimea. În mod similar, poziţiile reale ale astrelor de pe cer nu sunt cele aparente, mai ales atunci când aceste astre se văd aproape de orizont: intrând în atmosferă pieziş, ele se refractă progresiv din cauza dependenţei indicelui de refracţie al aerului de altitudine (în principal prin intermediul presiunii). Aşa se explică şi variaţia discontinuă a poziţiei şi formei Soarelui atunci când apune ori răsare. Un fenomen asemănător apare în cazul undelor electromagnetice emise de şi către sateliţi: în mod normal devierea este nesemnificativă, dar în cazul semnalelor GPS ea trebuie calculată pentru a se putea obţine o precizie mai bună a poziţiei determinate.

Se poate remarca de asemenea faptul că refracţia este similară unei probleme matematice: se dau două puncte, aflate în medii diferite (în sensul că viteza de deplasare prin cele două medii diferă); se cere drumul optim între cele două puncte. Intuitiv, problema poate fi enunţată astfel: o persoană se află pe plajă, şi trebuie să ajungă la o baliză aflată în apă (se presunpune că linia ţărmului este o dreaptă); care este drumul optim (din punct de vedere temporal), ţinând cont că pe plajă aleargă mai repede decât înoată în apă?. Desigur că soluţia depinde de raportul vitezelor în cele două medii (în cazul luminii acest raport se numeşte indice de refracţie). O rază de lumină care porneşte dintr-un punct aflat în unul dintre medii va urma tocmai acest drum optim pentru a ajunge la un punct din celălalt mediu.

[modifică] Dispersia

Un aspect interesant al refracţiei luminii este următorul: viteza luminii în diferite medii (altele decât vidul) depinde de frecvenţă, de aceea lumina se va refracta diferit în funcţie de frecvenţă: în acest fel lumina albă poate fi separată în funcţie de frecvenţă cu ajutorul unei prisme din material transparent, fenomen numit dispersie. Tot din această cauză comunicaţiile prin fibră optică sunt stânjenite: pulsurile de lumină conţin componente de frecvenţe diferite care, deşi sunt trimise simultan, vor ajunge la celălalt capăt al fibrei uşor decalat în timp, ceea ce înseamnă că pulsurile de lumină vor fi mai lungi la recepţie; pentru comunicarea pe distanţe mari, este nevoie de staţii releu intermediare pentru refacerea formei pulsurilor.

$Aplicarea principiului Huygens-Fresnel pentru a explica refracţia luminii$

Aplicarea principiului Huygens-Fresnel pentru a explica refracţia luminii

[modifică] Explicaţia fizică

Din punct de vedere fizic, refracţia este o consecinţă a principiului Huygens–Fresnel; acesta afirmă că o undă se propagă din aproape în aproape, punctele de pe frontul de undă fiind nişte „surse” secundare - suma fronturilor de undă ale acestor surse va fi noul front al undei. Considerându-se limita dintre cele două medii ca locul de formare a surselor secundare, se poate observa că noul front de undă se va deplasa sub un unghi diferit de unghiul de incidenţă al frontului de undă original.

$Schema refracţiei unei raze de lumină$

Schema refracţiei unei raze de lumină

$Reflexia totală: faţă de suprafaţa curbă a semicilindrului lumina cade perpendicular şi nu este deviată, dar pe suprafaţa interioară are loc refracţia totală, din cauza unghiului de incidenţă şi a proprietăţilor materialului$

Reflexia totală: faţă de suprafaţa curbă a semicilindrului lumina cade perpendicular şi nu este deviată, dar pe suprafaţa interioară are loc refracţia totală, din cauza unghiului de incidenţă şi a proprietăţilor materialului

Odată cu schimbarea unghiului de observare, se modifică şi poziţia aparentă a unui obiect în apă: cu cât este privit mai pieziş, obiectul pare a fi aproape desuprafaţa apei; privit perpendicular pe suprafaţă, eroarea de apreciere a adâncimii obiectului este minimă, dar nenulă.

$Desen al refracţiei undelor de pe suprafaţa unui vas cu apă: linia punctată este normala la linia de schimbare a adâncimii apei: viteza de propagare a valurilor depinde de adâncimea apei, deci va apărea fenomenul de refracţie.$

Desen al refracţiei undelor de pe suprafaţa unui vas cu apă: linia punctată este normala la linia de schimbare a adâncimii apei: viteza de propagare a valurilor depinde de adâncimea apei, deci va apărea fenomenul de refracţie.

Trecerea luminii albe printr-o prismă

[modifică] Tratarea geometrică

Pentru a putea calcula drumul unei raze de lumină se poate apela la o schemă similară celei alăturate: ştiind unghiul de incidenţă şi proprietăţile celor două medii, se poate calcula unghiul de refracţie (unghiul de reflexie este egal cu cel de incidenţă): $\theta_2 = \sin^{-1} (\frac{n_1}{n_2}\sin\theta_1)$ , $n_1 \,$ şi $n_2 \,$ fiind indicii de refracţie ai celor două medii (raportul dintre viteza luminii în acel mediu şi viteza luminii în vid). În cazul unui unghi de incidenţă foarte mare (raza cade foarte pieziş), poate apărea fenomenul de reflexie totală: practic toată lumina se reflectă inapoi în mediul din care a venit. Acest lucru se întâmplă pentru $\theta < \theta_{\mathrm{crit}} \,$ unde $\theta_{\mathrm{crit}} = \sin^{-1} \left( \frac{n_2}{n_1} \right)$ .

Legea de refracţie enunţată mai sus este valabilă doar pentru materiale izotrope, nefiind respectată dacă este vorba de materiale anizotrope (cum ar fi unele cristale), unde apare birefringenţa.