Els efectes d'il·luminació típics que cada persona es troba sovint a la vida quotidiana són la reflexió i la refracció. En aquest article, ens plantejarem el cas en què tots dos efectes es manifesten dins d'un mateix procés, parlarem del fenomen de la reflexió total interna.
Reflexió de la llum
Abans de considerar el fenomen de la reflexió total interna de la llum, hauríeu de familiaritzar-vos amb els efectes de la reflexió i la refracció normals. Comencem pel primer. Per simplificar, considerarem només la llum, tot i que aquests fenòmens són característics d'una ona de qualsevol naturalesa.
La reflexió s'entén com el canvi d'una trajectòria rectilínia, al llarg de la qual es mou un raig de llum, cap a una altra trajectòria rectilínia, quan troba un obstacle en el seu camí. Aquest efecte es pot observar quan apunta un punter làser cap a un mirall. L'aparició d'imatges del cel i dels arbres en mirar la superfície de l'aigua també és el resultat del reflex de la llum solar.
La llei següent és vàlida per a la reflexió: els anglesla incidència i la reflexió es troben en el mateix pla juntament amb la perpendicular a la superfície reflectora i són iguals entre si.
Refracció de la llum
L'efecte de la refracció és similar a la reflexió, només es produeix si l'obstacle en el recorregut del feix de llum és un altre medi transparent. En aquest cas, una part del feix inicial es reflecteix des de la superfície i una part passa al segon medi. Aquesta darrera part s'anomena feix refractat, i l'angle que forma amb la perpendicular a la interfície s'anomena angle de refracció. El feix refractat es troba en el mateix pla que el feix reflectit i incident.
Exemples forts de refracció són el trencament d'un llapis en un got d'aigua o la profunditat enganyosa d'un llac quan una persona mira cap avall al seu fons.
Matemàticament, aquest fenomen es descriu utilitzant la llei de Snell. La fórmula corresponent té aquest aspecte:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ 2).
Aquí els angles d'incidència i refracció es denoten com a θ1 i θ2 respectivament. Les quantitats n1, n2 reflecteixen la velocitat de la llum en cada mitjà. S'anomenen índexs de refracció dels mitjans. Com més gran n, més lent viatja la llum en un material determinat. Per exemple, a l'aigua la velocitat de la llum és un 25% menor que a l'aire, per la qual cosa l'índex de refracció és 1,33 (per a l'aire és 1).
El fenomen de la reflexió interna total
La llei de refracció de la llum porta a unun resultat interessant quan el raig es propaga des d'un medi amb n gran. Considerem amb més detall què passarà amb el feix en aquest cas. Escrivim la fórmula de Snell:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ 2).
Asumirem que n1>n2. En aquest cas, perquè la igu altat es mantingui certa, θ1 ha de ser inferior a θ2. Aquesta conclusió és sempre vàlida, ja que només es consideren angles de 0o a 90o, dins dels quals la funció sinusoïdal augmenta constantment. Així, quan es deixa un medi òptic més dens per un de menys dens (n1>n2), el feix es desvia més del normal.
Ara augmentem l'angle θ1. Com a resultat, arribarà el moment en què θ2 serà igual a 90o. Es produeix un fenomen sorprenent: hi romandrà un feix emès des d'un medi més dens, és a dir, per ell la interfície entre dos materials transparents es tornarà opaca.
Angle crític
L'angle θ1, per al qual θ2=90o, s'anomena crític per al parell de mitjans considerat. Qualsevol raig que colpeja la interfície amb un angle més gran que l'angle crític es reflecteix completament en el primer medi. Per a l'angle crític θc es pot escriure una expressió que segueix directament de la fórmula de Snell:
sin (θc)=n2 / n1.
Siel segon medi és l'aire, llavors aquesta igu altat es simplifica a la forma:
sin (θc)=1 / n1.
Per exemple, l'angle crític per a l'aigua és:
θc=arcsin (1/1, 33)=48, 75o.
Si us submergiu al fons de la piscina i mireu cap amunt, només podreu veure el cel i els núvols corren per sobre del vostre propi cap, a la resta de la superfície de l'aigua només seran visibles les parets de la piscina.
A partir del raonament anterior, queda clar que, a diferència de la refracció, la reflexió total no és un fenomen reversible, només es produeix quan es passa d'un medi més dens a un menys dens, però no a l'inrevés.
Reflexió total a la natura i la tecnologia
Potser l'efecte més comú a la natura, que és impossible sense una reflexió total, és l'arc de Sant Martí. Els colors de l'arc de Sant Martí són el resultat de la dispersió de la llum blanca en gotes de pluja. Tanmateix, quan els raigs passen dins d'aquestes gotes, experimenten una reflexió interna simple o doble. Per això l'arc de Sant Martí sempre apareix doble.
El fenomen de la reflexió total interna s'utilitza en la tecnologia de fibra òptica. Gràcies a les fibres òptiques, és possible transmetre ones electromagnètiques sense pèrdua a llargues distàncies.
