Phản xạ toàn phần công thức

I. Sự truyền ánh sáng vào môi trường chiết quang kém hơn [n1>n2]

1. Thí nghiệm

Cho một chùm tia sáng hẹp truyền từ khối nhựa trong suốt hình bán trụ vào không khí với các dụng cụ bố trí theo sơ đồ hình vẽ sau:

Thay đổi độ nghiêng của chùm tia tới [thay đổi góc tới i] và quan sát chùm tia khúc xạ ra không khí.

Kết quả:

Góc tớiChùm tia khúc xạChùm tia phản xạNhỏ

- Lệch xa pháp tuyến [so với tia tới]
- Rất sáng

- Rất mờCó giá trị đặc biệt $i_{gh}$- Gần như sát mặt phân cách
- Rất mờ- Rất sángCó giá trị lớn hơn giá trị $i_{gh}$- Không còn- Rất sáng

2. Góc giới hạn phản xạ toàn phần

- Khi chùm tia sáng khúc xạ ở mặt phân cách hai môi trường, ta có: n1sini = n2sinr.

Suy ra: $\sin r = \frac{{{n_1}}}{{{n_2}}}\sin i$

Vì n1>n2 nên: sinr> sini. Do đó r>i.

Chùm tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến hơn so với chùm tia tới.

- Khi góc i tăng thì góc r cũng tăng [với r>i] nên khi r đạt giá trị cực đại 900 thì i đạt giá trị igh gọi là góc giới hạn phản xạ toàn phần còn gọi là góc tới hạn.

Suy ra: $\sin {i_{gh}} = \frac{{{n_2}}}{{{n_1}}}$

- Với i>igh, không có tia khúc xạ, toàn bộ tia sáng bị phản xạ ở mặt phân cách gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần.

II. Hiện tượng phản xạ toàn phần

1. Định nghĩa

Phản xạ toàn phần là hiện tượng phản xạ toàn bộ tia sáng tới, xảy ra ở mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.

2. Điều kiện để có phản xạ toàn phần

Điều kiện để có phản xạ toàn phần:

\[\left\{ \begin{gathered}
{n_2} < {n_1} \hfill \\
i \geqslant {i_{gh}} \hfill \\
\end{gathered} \right.[\sin {i_{gh}} = \frac{{{n_2}}}{{{n_1}}}]\]

III. Ứng dụng của hiện tượng phản xạ toàn phần: cáp quang

1. Cấu tạo

Cáp quang là bó sợi quang. Mỗi sợi quang là một dây trong suốt có tính dẫn sáng nhờ phản xạ toàn phần.

Sợi quang gồm hai phần chính:

- Phần lõi trong suốt bằng thuỷ tinh siêu sạch có chiết suất lớn [n1].

- Phần vỏ bọc cũng trong suốt, bằng thuỷ tinh có chiết suất n2 nhỏ hơn phần lõi.

Phản xạ toàn phần xảy ra ở mặt phân cách giữa lõi và vỏ làm cho ánh sáng truyền đi được theo sợi quang.

2. Công dụng

Cáp quang đã được ứng dụng vào việc truyền thông tin vì có nhiều ưu điểm: dung lượng tín hiệu lớn; nhỏ và nhẹ, dễ vận chuyển, dễ uốn; không bị nhiễu bởi các bức xạ điện từ bên ngoài, bảo mật tốt; không có rủi ro cháy [vì không có dòng điện].

Cáp quang còn được dùng để nội soi trong Y học.