Refracció

Refracció

Refracció de la llum en diversos recipients.

Archiu:Caps block 0 .jpg

Refracció.

Refracció de la llum en l'interfaç entre dos mijos de diferents índexs de refracció, en n₂ > n₁. Com la velocitat de fase és menor en el segon mig (v₂ < v₁), l'àngul de refracció θ₂ és menor que l'àngul d'incidència θ₁; és dir, el raig en el mig de major índex està més prop de la normal.

La refracció és el canvi de direcció i velocitat que experimenta una ona de llum en passar d'un mig a un atre, ya siga líquit o gaseós, en distint índex refractivo. Solament es produïx si l'ona incidix oblicuamente sobre la superfície de separació dels dos mijos i si estos tenen índexs de refracció distints. La refracció s'origina en el canvi de velocitat de propagació de l'ona senyalada.

Un eixemple d'este fenomen es veu quan se sumergix un llapis en un got en aigua: el llapis sembla quebrado. També es produïx refracció quan la llum travessa capes d'aire a distinta temperatura, de la que depén l'índex de refracció. Els espillismes són produïts per un cas extrem de refracció, denominat reflexió total. Encara que el fenomen de la refracció s'observa freqüentment en ones electromagnètiques com la llum, el concepte és aplicable a qualsevol tipo d'ona.

Per a la llum, la refracció seguix la llei de Snell, que establix que, per a un parell donat de mijos, la relació dels sens del àngul d'incidència θ₁ i l' àngul de refracció θ₂ és igual a la relació de velocitats de fase (v₁ / v₂) en els dos mijos, o de manera equivalent, als índexs de refracció (n₂ / n₁) dels dos mijos.

$\frac{\sin {\theta }_1}{\sin {\theta }_2}=\frac{v_1}{v_2}=\frac{n_2}{n_1}$

Els prismes òptics i lents utilisen la refracció per a redirigir la llum, de la mateixa manera que l'ull humà. L'índex de refracció dels materials varia en la llongitut d'ona de la llum, i aixina l'àngul de la refracció també varia correspondientement. Açò es diu dispersió i fa que prismes i arc iris dividixquen la llum blanca en les seues colors espectrals constituents.

Explicació física

Refracció (explicació).

Esta desviació en la direcció de propagació s'explica per mig de la llei de Snell. No obstant, el descobriment d'un manuscrit revela que l'àrap Ibn Sahl (matemàtic) havia aplegat a les mateixes conclusions que el neerlandés sis sigles abans (entre els anys 983 i 985). Esta llei, aixina com la refracció en mijos no homogéneus, és conseqüència del principi de Fermat, que indica que la llum es propaga entre dos punts seguint la trayectòria de recorregut òptic de menor temps.

Llapis "quebrado" per la refracció.

Per un atre costat, la velocitat de la penetració de la llum en un mig distint del buit està en relació en la llongitut de l'ona i, quan un fes de llum blanca pansa d'un mig a un atre, cada color sofrix una llaugera desviació. Este fenomen és conegut com dispersió de la llum. Per eixemple, en aplegar a un mig més dens, les ones més curtes perden velocitat sobre les llargues (p. eix., quan la llum blanca travessa un prisma).

En la refracció es complixen les lleis deduïdes per Huygens que rigen tot el moviment ondulatorio:

• El raig incident, el reflectit i el refractado es troben en el mateix pla.
• Els ànguls d'incidència i reflexió són iguals, entenent per tals els que formen respectivament el raig incident i el reflectit en la perpendicular (cridada normal) a la superfície de separació traçada en el punt d'incidència.

Explicació de la ralentisació de la llum en un mig

La velocitat de la llum depén del mig pel que viage, per lo que és més llenta quant més dens siga el material i viceversa. Per això, quan la llum passa d'un mig menys dens (aire) a un atre més dens (cristal), el raig de llum és refractado acostant-se a la normal i per tant, l'àngul de refracció serà més chicotet que l'àngul d'incidència. De la mateixa manera, si el raig de llum passa d'un mig més dens a un menys dens, serà refractado alluntant-se de la normal i, per tant, l'àngul d'incidència serà menor que el de refracció.

Aixina podem dir que la refracció és el canvi de direcció de la propagació que experimenta la llum en passar d'un mig a un atre. Com s'ha descrit anteriorment, la velocitat de la llum és més llenta en un mig distint del buit. Esta ralentisació s'aplica a qualsevol mig com l'aire, l'aigua o el vidre, i és responsable de fenomens com la refracció. Quan la llum abandona el mig i torna al buit, i ignorant qualsevol efecte de la gravetat, la seua velocitat torna a ser la velocitat habitual de la llum en el buit, c.

Les explicacions habituals d'esta ralentisació, basades en l'idea de que la llum es dispersa o és absorbida i reemitida pels àtoms, són incorrectes. Estes explicacions provocarien un efecte "borroso" en la llum resultant, ya que esta deixaria de viajar en una sola direcció. Pero este efecte no es veu en la naturalea.

Una explicació correcta es basa en la naturalea de la llum com ona electromagnètica. Degut a que la llum és una ona elèctrica/magnètica oscilante, la llum que viaja en un mig fa que els electrons carregats eléctricamente del material també oscilen. (Els protones del material també oscilen, pero com són unes 2000 voltes més massius, el seu moviment i, per tant, el seu efecte, és molt menor). Una càrrega elèctrica en moviment emet ones electromagnètiques pròpies. Les ones electromagnètiques emeses pels electrons oscilantes, interactuen en les ones electromagnètiques que componen la llum original, de forma similar a les ones d'aigua en un estany, procés conegut com interferència constructiva. Quan dos ones interferixen d'esta manera, l'ona "combinada" resultant pot tindre paquets d'ones que passen a un observador a una velocitat més llenta. La llum s'ha ralentisat. Quan la llum abandona el material, ya no es produïx esta interacció en els electrons, per lo que la velocitat dels paquets d'ones (i, per tant, la seua velocitat) torna a la normalitat.

Explicació de la curvatura de la llum en entrar i eixir d'un mig

Considerem una ona que va d'un material a un atre a on la seua velocitat és menor, com en la figura. Si alcança l'interfaç entre els materials en àngul, un costat de l'ona aplegarà primer al segon material i, per lo tant, disminuirà la seua velocitat abans. Si un costat de l'ona va més despacio, tota l'ona pivotará cap a eixe costat. Esta és la raó per la que una ona es doblarà alluntant-se de la superfície o cap a la normal quan entre en un material més llent. En el cas contrari d'una ona que aplega a un material a on la velocitat és major, un costat de l'ona s'accelerarà i l'ona pivotará alluntant-se d'eixe costat.

Una atra forma d'entendre lo mateix és considerar el canvi de llongitut d'ona en l'interfaç. Quan l'ona passa d'un material a un atre a on l'ona té una velocitat diferent v, la freqüència f de l'ona permaneixerà igual, pero la distància entre front d'onas o llongitut d'ona λ=v/f canviarà. Si la velocitat disminuïx, com en la figura de la dreta, la llongitut d'ona també disminuirà. En un àngul entre els fronts d'ona i la interfase i el canvi en la distància entre els fronts d'ona, l'àngul deu canviar sobre la interfase per a mantindre els fronts d'ona intactes. A partir d'estes consideracions es pot deduir la relació entre l'àngul d'incidència θ₁, l'àngul de transmissió θ₂ i les velocitats d'ona v₁ i v₂ en els dos materials. Esta és la llei de refracció o llei de Snell i es pot escriure com

$\frac{\sin {\theta }_1}{\sin {\theta }_2}=\frac{v_1}{v_2}$.

El fenomen de la refracció pot deduir-se de forma més fonamental de l'equació d'ona bidimensional o tridimensional. ¡La condició de contorn en l'interfaç requerirà llavors que la component tangencial del vector d'ona siga idèntica a abdós costats de l'interfaç. Com la magnitut del vector d'ona depén de la velocitat d'ona, açò requerix un canvi en la direcció del vector d'ona.

La velocitat d'ona rellevant en la discussió anterior és la velocitat de fase de l'ona. Sol estar pròxima a la velocitat de grup, que pot vore's com la verdadera velocitat d'una ona, pero quan diferixen és important utilisar la velocitat de fase en tots els càlculs relacionats en la refracció.

Una ona que viaja perpendicular a una frontera, és dir, que té els seus fronts d'ona paralels a la frontera, no canviarà de direcció encara que canvie la velocitat de l'ona.

Índex de refracció

Artícul principal → Índex de refracció.

És la relació entre la velocitat de propagació de l'ona en un mig de referència (per eixemple el buit per a les ones electromagnètiques) i la seua velocitat en el mig del que es tracte (seguint en l'eixemple de les ones electromagnètiques, l'índex de refracció n ve dau per n=c/v a on c és la velocitat de la llum en el buit i v la velocitat de la llum en el mig).

Àngul crític: qualsevol raig que incidixca en un àngul θ₁ major a l'àngul crític θ_c corresponent a eixe parell de substàncies, es reflectirà en l'interfaç en lloc de refractarse.

Vore també

• Dispersió refractiva
• Reflexió (física)
• Propagació d'ones

• Interferència
• Polarisació electromagnètica
• Dispersió (física)
• Difracció (física)