Refracție

De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Salt la: Navigare, căutare
Schemă pentru refracția luminii, unde i este unghiul de incidență și r este unghiul de refracție.

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

Legile refracției[modificare | modificare sursă]

Legile refracție sunt in număr de două:

  • Raza incidentă, normală si raza refractată sunt coplanare.
  • Indicele de refracție notat cu n este raportul dintre sinusul unghiului de incidență i si sinusul unghiului de refracție r.

Matematic a doua lege se poate scrie:

n=\frac{\sin i}{\sin r}

Indicele de refracție al vidului este egal cu unitatea n=1.


Un caz particular este reflexia totală. (unghiul minim de incidență l de la care reflexia devine totală, adică unghiul de la care raza nu mai trece in al doilea mediu)


Legile refracției se aplica si in cazul prismelor.




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 (marcată Y) este la o adâncime mai mică decât poziţia reală (X) a capătului barei).

La interfața dintre două medii, viteza de fază și lungimea de undă se modifică, unda își schimbă direcția, însă frecvența rămâne aceeași. În optică, pentru studiul refracției se folosește noțiunea de indice de refracție, care este direct legată de viteza de propagare. Lentilele și prismele optice se bazează pe fenomenul de refracție pentru a modifica direcția razelor de lumină.

Odată cu refracția are loc și reflexia, adică o parte a undei se reflectă înapoi în mediul inițial, după legile obișnuite ale reflexiei (cu excepția cazului în care unghiul de incidență este nul, sau dacă avem de-a face cu materiale speciale, cu indice de refracție negativ).

Efecte[modificare | modificare sursă]

Cel mai adesea în viața de zi cu zi se poate observa refracția atunci când privim într-un vas cu apă: obiectele par a fi mai aproape de suprafață decât sunt, iar poziția lor pare a se schimba odată cu unghiul din care sunt privite. Pentru a determina poziția 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 (deși sub un unghi ușor diferit, din cauza unghiurilor de incidență diferite).

Tot refracția este fenomenul din spatele curcubeului, ori a mirajelor care apar, de exemplu în deșert, atunci când temperatura aerului variază foarte rapid cu înălțimea. În mod similar, pozițiile reale ale astrelor de pe cer nu sunt cele aparente, mai ales atunci când aceste astre se văd aproape de orizont: intrând în atmosferă pieziș, ele se refractă progresiv din cauza dependenței indicelui de refracție al aerului de altitudine (în principal prin intermediul presiunii). Așa se explică și variația discontinuă a poziției și formei Soarelui atunci când apune ori răsare. Un fenomen asemănător apare în cazul undelor electromagnetice emise de și către sateliți: în mod normal devierea este nesemnificativă, dar în cazul semnalelor GPS ea trebuie calculată pentru a se putea obține o precizie mai bună a poziției determinate.


Se poate remarca de asemenea faptul că refracția 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 enunțată astfel: o persoană se află pe plajă, și trebuie să ajungă la o baliză aflată în apă (se presunpune că linia țărmului este o dreaptă); care este drumul optim (din punct de vedere temporal), ținând cont că pe plajă aleargă mai repede decât înoată în apă?. Desigur că soluția depinde de raportul vitezelor în cele două medii (în cazul luminii acest raport se numește indice de refracție). O rază de lumină care pornește dintr-un punct aflat în unul dintre medii va urma tocmai acest drum optim pentru a ajunge la un punct din celălalt mediu.

Dispersia[modificare | modificare sursă]

Un aspect interesant al refracției luminii este următorul: viteza luminii în diferite medii (altele decât vidul) depinde de frecvență, de aceea lumina se va refracta diferit în funcție de frecvență: în acest fel lumina albă poate fi separată în funcție de frecvență cu ajutorul unei prisme din material transparent, fenomen numit dispersie. Tot din această cauză comunicațiile prin fibră optică sunt stânjenite: pulsurile de lumină conțin componente de frecvențe diferite care, deși sunt trimise simultan, vor ajunge la celălalt capăt al fibrei ușor decalat în timp, ceea ce înseamnă că pulsurile de lumină vor fi mai lungi la recepție; pentru comunicarea pe distanțe mari, este nevoie de stații releu intermediare pentru refacerea formei pulsurilor.

Aplicarea principiului Huygens-Fresnel pentru a explica refracţia luminii

Explicația fizică[modificare | modificare sursă]

Din punct de vedere fizic, refracția este o consecință a principiului Huygens–Fresnel; acesta afirmă că o undă se propagă din aproape în aproape, punctele de pe frontul de undă fiind niște „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 incidență al frontului de undă original.

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
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.


Tratarea geometrică[modificare | modificare sursă]

Pentru a putea calcula drumul unei raze de lumină se poate apela la o schemă similară celei alăturate: știind unghiul de incidență și proprietățile celor două medii, se poate calcula unghiul de refracție (unghiul de reflexie este egal cu cel de incidență): \theta_2 = \sin^{-1} (\frac{n_1}{n_2}\sin\theta_1) , n_1 \, și n_2 \, fiind indicii de refracție ai celor două medii (raportul dintre viteza luminii în acel mediu și viteza luminii în vid). În cazul unui unghi de incidență foarte mare (raza cade foarte pieziș), 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 refracție enunțată mai sus este valabilă doar pentru materiale izotrope, nefiind respectată dacă este vorba de materiale anizotrope (cum ar fi unele cristale), unde apare birefringența.

Vezi și[modificare | modificare sursă]

Note[modificare | modificare sursă]

Legături externe[modificare | modificare sursă]

Commons
Wikimedia Commons conține materiale multimedia legate de Refracție