Ljusets brytning

Är det möjligt att böja ljus?

Du kanske kommer ihåg att ljus alltid går rakt fram, men du kan faktiskt böja ljus med bara en flaska med vatten och en ficklampa.

Hur då? Vi testar.

Att böja ljus

När du gör ett hål i flaskan funkar vattenstrålen som en kabel och transportera ljuset från ficklampan, så det svänger!

Men det där borde väl vara omöjligt, eller hur?

Jo, det är sant att ljusstrålar alltid går rakt fram, men ändå funkar experimentet — ljuset följer med i vattenstrålen och svänger av.

Vi tar det från början...

Ljus går rakt fram, och jättefort. I fullständigt tomrum — vakuum — färdas ljuset i nästan trehundra tusen kilometer per sekund. Men när ljuset inte går genom vakuum, utan genom något genomskinligt material, rör det sig saktare.

Genom luft går ljuset nästan lika fort som i vakuum, men genom glas eller vatten, färdas ljuset betydligt långsammare.

Den här egenskapen, att ljus går olika fort genom olika media, gör faktiskt också att ljuset kan svänga, när det byter från ett medium till ett annat. En förändring i hastighet, som orsakar en förändring i riktning?

Det är inte så konstigt som det låter. Här kommer en bil, på väg till stranden. På asfalten har däcken bra grepp, och bilen går fort. Om bilen kör i sanden däremot, slirar däcken, och bilen rör sig långsammare.

När bilen kör snett från asfalten in mot sanden kan vi se vad som händer. Bilens vänstra hjul, högst upp i bilden, är kvar på asfalten, medan de högra, nedtill, är i sanden. Den sidan av bilen som är på asfalten är nu lite snabbare än den andra.

Och vad händer om ena sidan åker fortare än den andra?

Bilen svänger!

När alla hjulen är i sanden, och bilen går rakt fram, kör det långsammare än förut.

Ljuset bryts

Tänk nu att asfalten är luft, där ljuset går nästan lika fort som i vakuum. Sanden är glas, där ljuset går långsammare och bilen är en ljusstråle. När ljusstrålen kommer in i glaset, bromsas ena sidan före den andra, och strålen byter riktning.

När ljusstrålen sen går ut ur glaset, och ut i luften igen, händer precis samma sak, men tvärtom. Ena sidan kommer ut i luften och får upp farten snabbare, och ljusstrålen åker nu i samma riktning som när den kom in i glaset.

När ljus svänger så här, säger vi att det bryts. Exakt hur mycket ljusstrålen bryts beror på förhållandet mellan ljusets hastighet i de båda materialen.

Här är en tabell, som visar hur många gånger mer tid ljuset behöver för att färdas en viss sträcka i olika material, jämfört med vakuum. Det tar en och halv gång så lång tid för ljuset att gå genom glas, som genom vakuum, och mer än dubbelt så lång tid att gå genom diamant.

Vi kallar talen i den här tabellen för brytningsindex.

Exakt hur mycket en ljusstråle bryts, beror på kvoten mellan ljushastigheten i de två materialen. För att mäta brytningen gör du så här:

Dra en linje vinkelrätt mot ytan som ljusstrålen träffar. Den linjen kallar vi normalen.

Nu kan du mäta vinkeln mellan den normalen och den infallande ljusstrålen — den infallande vinkeln.

Mät sen vinkeln mellan normalen den brutna ljusstrålen — brytningsvinkeln.

En stor skillnaden mellan de två vinklarna betyder att det är en stor brytning. Går ljusstrålen in i ett optiskt tätare material — ett med ett högre brytningsindex — så minskar brytningsvinkeln jämfört med infallsvinkeln.

Går strålen istället över till ett material med ett lägre brytningsindex, så ökar brytningsvinkeln jämfört med infallsvinkeln.

Du kan se att det här fungerar, utan en tabellen över brytningsindex. Titta bara på ett sugrör i ett glas med vatten — det ser ut att vara avbrutet. Men det är bara ljusstrålarna som är brutna. För vatten har, precis som glas, ett högre brytningsindex än luft.

Totalreflektion

Den här ljusstrålen, går från glas till luft. Just nu går ljuset precis vinkelrätt, och bryts inte alls, utan går rakt fram.

Men när vi vrider lite på den. Luft har lägre brytningsindex än glas, så brytningsvinkeln ökar.

Om vi ökar infallsvinkeln lite till. Vad händer nu?

När infallsvinkeln ökar tillräckligt mycket, når vi till slut den kritiska vinkeln. Nu bryts ljuset längs med glasets yta. Exakt vilken vinkel som är den kritiska beror på vilka material ljuset går igenom. Från glas till luft, är vinkeln 41 grader.

Vad tror du händer om vi fortsätter vinkla ljusstrålen, så att den går förbi den kritiska vinkeln?

Nu bryts inte ljuset längre. Det reflekteras! Det här, kallas totalreflektion.

När ljuset kommer i en tillräckligt stor vinkel från normalen, och går från ett tätare material mot ett mindre tätt, så studsar ljusstrålarna tillbaka in i det tätare materialet!

Det här har vi nytta av. I en fiberoptisk kabel, skickas information, i form av ljusstrålar. Det kan vara telefonsamtal, eller en internetuppkoppling. Fibertrådarna är gjorda av glas eller plast, och är bara aningen tjockare än ett hårstrå. Totalreflektionen gör att ljuset studsar mellan väggarna i kabeln, även om den svänger.

Genom en fiberoptisk kabel kan vi skicka mer information, över längre avstånd, än vad som är möjligt med vanliga kablar av koppartråd.

Experimentet med flaskan och ficklampan funkar precis som en fiberoptisk kabel. Ljusstrålarna studsar på insidan av vattenstrålen. De vill liksom inte ut i luften, utan vänder och åker in i vattnet igen.

Totalreflektion!

Sammanfattning

Ljusets brytning

Normalen: En linje vinkelrätt mot ytan som ljusstrålen träffar.
Infallande vinkeln: Vinkeln mellan den infallande ljusstrålen och normalen.
Brytningsvinkeln: Vinkeln mellan den brytna ljusstrålen och normalen.
Brytningsindex: en tabell som visar hur många gånger mer tid ljuset behöver för att färdas en viss sträcka i olika material, jämfört med vakuum.
Går ljusstrålen in i ett material med ett högre brytningsindex, så minskar brytningsvinkeln jämfört med infallsvinkeln.
Går ljusstrålen över till ett material med ett lägre brytningsindex, så ökar brytningsvinkeln jämfört med infallsvinkeln.

Valon heijastuminen: Sisäinen kokonaisheijastuminen