Ljusets brytning: Totalreflektion

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 ökar brytningsvinkeln jämfört med infallsvinkeln. Du kan se att det här fungerar, även utan en tabell 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. Den här ljusstrålen går från glas till luft. Just nu går ljuset precis vinkelrätt och bryts inte alls utan går rakt fram. Men nu vrider vi lite på den. Luft har lägre brytningsindex än glas så brytningsvinkeln ökar.

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 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. Det här 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! Totalreflektion!