Perambatan gelombang elektromagnetik di berbagai media mematuhi hukum pemantulan dan pembiasan. Dari hukum-hukum ini, dalam kondisi tertentu, satu efek menarik mengikuti, yang dalam fisika disebut pemantulan internal total cahaya. Mari kita lihat lebih dekat apa efek ini.
Pemantulan dan pembiasan
Sebelum melanjutkan langsung ke pembahasan pemantulan total internal cahaya, perlu diberikan penjelasan tentang proses pemantulan dan pembiasan.
Pemantulan dipahami sebagai perubahan arah berkas cahaya dalam medium yang sama ketika bertemu antarmuka. Misalnya, jika Anda mengarahkan berkas cahaya dari penunjuk laser ke cermin, Anda dapat mengamati efek yang dijelaskan.
Pembiasan adalah, seperti pemantulan, perubahan arah gerakan cahaya, tetapi tidak pada medium pertama, tetapi pada medium kedua. Hasil dari fenomena ini adalah distorsi garis besar objek dan objeknyalokasi spasial. Contoh umum dari pembiasan adalah pecahnya pensil atau pena jika ditempatkan dalam segelas air.
Pembiasan dan pemantulan saling berkaitan. Mereka hampir selalu hadir bersama: sebagian energi sinar dipantulkan, dan sebagian lainnya dibiaskan.
Kedua fenomena tersebut merupakan hasil dari prinsip Fermat. Dia mengklaim bahwa cahaya merambat di sepanjang jalur antara dua titik yang membutuhkan waktu paling sedikit.
Karena pemantulan adalah efek yang terjadi pada satu medium, dan pembiasan terjadi pada dua medium, penting untuk kedua media tersebut transparan terhadap gelombang elektromagnetik.
Konsep indeks bias
Indeks bias adalah besaran penting untuk deskripsi matematis dari fenomena yang sedang dipertimbangkan. Indeks bias medium tertentu didefinisikan sebagai berikut:
n=c/v.
Di mana c dan v masing-masing adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa dan materi. Nilai v selalu lebih kecil dari c, sehingga eksponen n akan lebih besar dari satu. Koefisien tak berdimensi n menunjukkan seberapa banyak cahaya dalam suatu zat (medium) akan tertinggal dari cahaya dalam ruang hampa. Perbedaan kecepatan tersebut menyebabkan terjadinya fenomena refraksi.
Kecepatan cahaya dalam materi berkorelasi dengan kerapatan materi. Semakin padat medium, semakin sulit bagi cahaya untuk bergerak di dalamnya. Misalnya, untuk udara n=1.00029, yaitu hampir seperti vakum, untuk air n=1,333.
Pemantulan, Pembiasan dan Hukumnya
Hukum dasar pembiasan dan pemantulan cahaya dapat ditulis sebagai berikut:
- Jika Anda mengembalikan normal ke titik datang berkas cahaya pada batas antara dua media, maka garis normal ini, bersama dengan sinar datang, sinar pantul dan sinar bias, akan terletak pada bidang yang sama.
- Jika kita menetapkan sudut datang, refleksi dan bias sebagai 1, 2, dan 3, dan indeks bias medium 1 dan 2 sebagai n1 dan n2, maka kedua rumus berikut akan berlaku:
- untuk mencerminkan 1=2;
- untuk refraksi sin(θ1)n1 =sin(θ3)n2.
Analisis rumus hukum 2 pembiasan
Untuk memahami kapan pemantulan total internal cahaya akan terjadi, kita harus mempertimbangkan hukum pembiasan, yang juga disebut hukum Snell (seorang ilmuwan Belanda yang menemukannya pada awal abad ke-17). Ayo tulis lagi rumusnya:
sin(θ1)n1 =sin(θ3) n2.
Dapat dilihat bahwa hasil kali sinus sudut pancaran terhadap normal dan indeks bias medium tempat berkas ini merambat adalah nilai konstan. Artinya jika n1>n2, maka untuk memenuhi persamaan diperlukan sin(θ1)<sin(θ3). Yaitu, ketika berpindah dari medium yang lebih rapat ke medium yang kurang rapat (artinya optik)densitas), balok menyimpang dari normal (fungsi sinus meningkat untuk sudut dari 0o menjadi 90o). Transisi seperti itu terjadi, misalnya, ketika seberkas cahaya melintasi batas air-udara.
Fenomena pembiasan adalah reversibel, yaitu ketika berpindah dari yang kurang rapat ke yang lebih rapat (n1<n2) sinar akan mendekati garis normal (sin(θ1)>sin(θ3)).
Refleksi cahaya total internal
Sekarang mari kita ke bagian yang menyenangkan. Pertimbangkan situasi ketika berkas cahaya melewati dari media yang lebih padat, yaitu, n1>n2. Dalam hal ini, 1<θ3. Sekarang kita akan meningkatkan sudut datang secara bertahap 1. Sudut bias 3 juga akan meningkat, tetapi karena lebih besar dari 1, itu akan menjadi sama dengan 90 o sebelumnya . Apa yang dimaksud dengan 3=90o dari sudut pandang fisik? Ini berarti bahwa semua energi balok, ketika mengenai antarmuka, akan merambat sepanjang itu. Dengan kata lain, sinar pembiasan tidak akan ada.
Peningkatan 1 lebih lanjut akan menyebabkan seluruh berkas dipantulkan dari permukaan kembali ke medium pertama. Ini adalah fenomena pemantulan total internal cahaya (pembiasan sama sekali tidak ada).
Sudut 1, di mana 3=90o, disebut penting untuk pasangan media ini. Itu dihitung menurut rumus berikut:
θc =arcsin(n2/n1).
Persamaan ini mengikuti langsung dari hukum ke-2 pembiasan.
Jika kecepatan v1dan v2perambatan radiasi elektromagnetik pada kedua media transparan diketahui, maka sudut kritisnya adalah dihitung dengan rumus berikut:
θc =arcsin(v1/v2).
Harus dipahami bahwa syarat utama untuk pemantulan total internal adalah bahwa ia hanya ada dalam media yang lebih rapat secara optikal yang dikelilingi oleh media yang kurang rapat. Jadi, pada sudut tertentu, cahaya yang datang dari dasar laut dapat sepenuhnya dipantulkan dari permukaan air, tetapi pada setiap sudut datang dari udara, sinar akan selalu menembus ke dalam kolom air.
Di mana efek refleksi total diamati dan diterapkan?
Contoh paling terkenal dari penggunaan fenomena refleksi total internal adalah serat optik. Idenya adalah bahwa karena pantulan cahaya 100% dari permukaan media, dimungkinkan untuk mengirimkan energi elektromagnetik melalui jarak jauh tanpa kehilangan. Bahan kerja kabel serat optik, dari mana bagian dalamnya dibuat, memiliki kerapatan optik yang lebih tinggi daripada bahan periferal. Komposisi seperti itu cukup untuk berhasil menggunakan efek refleksi total untuk berbagai sudut datang.
Permukaan berlian yang berkilauan adalah contoh utama dari hasil refleksi total. Indeks bias berlian adalah 2,43, begitu banyak sinar cahaya yang mengenai batu permata, mengalamibeberapa refleksi penuh sebelum keluar.
Masalah menentukan sudut kritis c untuk berlian
Mari kita pertimbangkan masalah sederhana, di mana kita akan menunjukkan bagaimana menggunakan rumus yang diberikan. Penting untuk menghitung berapa besar sudut kritis refleksi total akan berubah jika berlian ditempatkan dari udara ke dalam air.
Setelah melihat nilai indeks bias media yang ditunjukkan dalam tabel, kami menuliskannya:
- untuk udara: n1=1, 00029;
- untuk air: n2=1, 333;
- untuk berlian: n3=2, 43.
Sudut kritis untuk pasangan berlian-udara adalah:
θc1=arcsin(n1/n3)=arcsin(1, 00029/2, 43) 24, 31o.
Seperti yang Anda lihat, sudut kritis untuk pasangan media ini cukup kecil, yaitu, hanya sinar tersebut yang dapat meninggalkan berlian ke udara yang akan mendekati normal dari 24, 31 o.
Untuk kasus berlian dalam air, kita mendapatkan:
θc2=arcsin(n2/n3)=arcsin(1, 333/2, 43) 33, 27o.
Peningkatan sudut kritis adalah:
Δθc=c2- θc1≈ 33, 27 o - 24, 31o=8, 96o.
Sedikit peningkatan sudut kritis untuk pantulan total cahaya dalam berlian menyebabkan berlian bersinar dalam air hampir sama seperti di udara.
