ظاهرة الانعكاس الكلي الداخلي
تعريف ظاهرة الانعكاس الكلي الداخلي
ظاهرة الانعكاس الكلي الداخلي هي ظاهرة طبيعية، وقد تكون مفيدة، ويتم استخدامها بشكل خاص لحصر الضوء. ويتصل الانعكاس الكلي الداخلي بالألياف البصرية، والتي تعتبر ألياف شفافة رفيعة مصنوعة من الزجاج لتمكين نقل الضوء من خلالها
- تتميز ظاهرة الانعكاس الكلي الداخلي بتحرك الموجات من وسط كثيف إلى وسط أقل كثافة، ويؤدي هذا التحرك إلى انحناء أشعة الضوء بزاوية مختلفة عن 90 درجة.
- تسمى هذه الظاهرة بظاهرة الانكسار، ومن المهم أن وراء كل زاوية معينة يتم انعكاس الموجات الزجاجية بشكل داخلي تمامًا
- يعرف ظاهرة الانكسار بقانون سنل، الذي يشرح العلاقة بين زاوية السقوط وزاوية الانكسار، ويمكن للقانون التنبؤ بدرجة الانحناء، وقد تم اكتشاف هذا القانون في عام 1621 من قبل ويلبرورد سنيل .
تطبيق فيزيائي على الانعكاس الكلي الداخلي
تم تقديم العديد من التطبيقات الفيزيائية التي توضح الانعكاس الكلي الداخلي:
- من بين تطبيقاتها التطبيق الافتراضي الذي يفترض احتواؤه على شعاع ليزر مغمور في الماء يتجه نحو الأعلى نحو الماء والهواء.
- يُفترض في هذا التطبيق أن زاوية توجيه الحزمة الضوئية قد تغيرت ببطء.
- وقد وضح هذا التطبيق لنا مبادئ السلوك الحدودي التي تساعد في توقع وملاحظة الظواهر الهامة مثل ظاهرة الانعكاس والانكسار.
- تم التأكيد على أن الأشعة المنعكسة والمنكسرة لا تبقي بزاوية ثابتة، حيث تزداد الزاوية فإن الانكسار يقل والانعكاس يزداد.
- وبالتالي، فإننا نرى دائمًا أن زوايا الانكسار والانعكاس غير متساوية .
ظاهرة السراب والانعكاس الكلي الداخلي
ظاهرة السراب ، هي ظاهرة تجعلنا نرى فيها انعكاسات غير حقيقية ، فنستطيع على سبيل المثال أن نعتقد أننا نرى ماء ، أو جبال منعكسة في بحر ، وهذه الظاهرة تكون موجودة بكثرة في الصحراء ، وتحدث ببساطة عندما يتم تمرير ضوء عبر طبقتين من الهواء ، وتتميز هذه الطبقات بدرجات حرارة مختلفة ، وعندما تقوم الصحراء بتسخين الرمال.
فأنها بذلك تقوم بتسخين الهواء الذي يقع فوق الرمال ، وهذا الهواء الساخن يجعل اشعة الضوء تنحني وتنعكس ، وهذا باختصار كيفية انتقال الضوء عبر الهواء ، وسواء كانت ظاهرة السراب هذه في درجة حرارة مرتفعة ، أو منخفضة فهي يتم فيها انتقال الضوء، وكلما كان الجو أكثر برودة كلما اتبع الضور مسارًا منحنيًا باتجاه الهواء.
يثير الدهشة أن الهواء البارد يحتوي عادة على مؤشر انكسار أعلى من الهواء الدافئ، وهذا يؤدي إلى انتقال جزيئات الضوء بشكل أسرع في الهواء الساخن بدلا من الهواء البارد، وهذا هو سبب ظاهرة السراب التي تحدث في الصحاري أو البحار، حيث تتشكل طبقات هوائية مختلفة بدرجات حرارة مختلفة، وهناك ظواهر أخرى تحدث بسبب الانكسار .
عند الحديث عن الفرق بين السراب القطبي والسراب الصحراوي، نجد أن السراب القطبي هو طبقة من الهواء الدافئ مع طبقة باردة تحته، وتعرف هذه العملية أيضا باسم انعكاس درجة الحرارة، ومن المنطقي أن ينحني الضوء نحو الهواء الأكثر كثافة، ولكن عندما نراه بأعيننا، نراه ينتقل بشكل مستقيم، ونرى الأمور أعلى مما هي عليه بالفعل، لذا نرى الصورة وانعكاسها أعلى من مكانها الحقيقي.
في المناطق القطبية، يمكن رؤية سراب من حين لآخر، ولكنه يتغير بسرعة، وفي بعض الأوقات يكون ظهور السراب في المناطق القطبية معقدًا جدًا، حيث يظهر السراب في كثير من الأحيان فوق سلاسل الجبال، وينتج عنه شكل يشبه تكدس الجبال فوق بعضها .
أما عن السراب الصحراوي فيتم النظر ، من خلاله إلى أي طريق سريع ، أو رمال موجودة في الصحراء ، ونجده يظهر على هيئة بركة مياه زرقاء ، وفي الواقع قد يكون سبب هذا هو انحناء ضوء السماء الأزرق في اتجاه العين ، ويجب أن يكون هناك تسخين مستمر من الشمس لطبقات الهواء ، لكي يدوم السراب الصحراوي فترة أطول .
الانعكاس الكلي الداخلي في الألياف البصرية
عندما نتحدث عن الانعكاس الكلي الداخلي في الألياف البصرية، نجد أنه عندما يسلك الضوء في وسط بصري كثيف ويصطدم بزاوية شديدة الانحدار، والتي تسمى الزاوية الحرجة، يتم انعكاس الضوء تماما. وهذا ما يعرف بالانعكاس الكلي الداخلي. ينتقل الضوء عبر هذه الألياف البصرية، مما يسمح للضوء بدخول الألياف. ويحدث زاوية أكبر من الزاوية الحرجة، وقد تم وصف هذه الزاوية الحرجة في الألياف الضوئية في مجال الفيزياء.
أنها متعلقة بالمحور المتوازي الممتد أسفل منتصف الألياف الضوئية هذه ، ولكي نفهم هذه العملية بطريقة أبسط نقول أن هناك زاوية قصوى لهذه الألياف البصرية ، والتي تجعل الضوء لديه امكانية الدخول لهذه الألياف ، وبعدها يستطيع أن ينتقل ، وينتشر داخل هذه الألياف ، ويدخل من خلال ما تسمي بالفتحة العددية .
وفي الألياف ذات المؤشر المتدرج ، يتناقص مؤشر الانكسار في اللب بشكل مستمر بين المحور والكسوة ، ويؤدي هذا إلى انحناء أشعة الضوء بسلاسة عند اقترابها من الكسوة ، بدلاً من الانعكاس فجأة من حدود الكسوة الأساسية و، تقلل المسارات المنحنية الناتجة التشتت متعدد المسارات لأن أشعة الزاوية المرتفعة تمر أكثر عبر محيط المؤشر السفلي للنواة ، بدلاً من مركز المؤشر العالي ، ويتم اختيار ملف تعريف الفهرس لتقليل الاختلاف في سرعات الانتشار المحوري للأشعة المختلفة في الألياف ، وملف تعريف المؤشر المثالي هذا قريب جدًا من علاقة القطع المكافئ بين المؤشر والمسافة من المحور .
شروط الانعكاس الداخلي الكلي
عندما ينتقل الضوء إلى وسط مختلف، يمكن أن يؤدي ذلك إلى بعض الآثار والتغيرات
- انكسار الضوء ، وتغيير سرعته.
- عندما ينتقل الضوء من وسط كثافته أكثر، مثل الزجاج، إلى وسط أقل كثافة، مثل الهواء، يزداد سرعة الضوء بشكل ملحوظ ويبدأ في الانكسار بعيدًا.
- عندما يحدث الانكسار ، يكون زاوية الانكسار أكبر من زاوية السقوط، مما يؤدي إلى انحراف الضوء بزاوية 90 درجة.
تختلف الزاوية الحرجة باختلاف المواد، فمثلاً، تبلغ الزاوية الحرجة حوالي 42 درجة للزجاج، ويجب توافر شرطين أساسيين لحدوث الانعكاس الداخلي الكلي وهما:
- أولا، يجب أن ينخفض مؤشر الانكسار في اتجاه انكسار الضوء.
- ثانيًا، يجب تجاوز زاوية السقوط للشعاع الضوئي لتصبح الزاوية الحرجة وتتصدر الواجهة .