V súčasnosti sú optické káble už neoddeliteľnou súčasťou nášho sveta. Vedeli ste, že za ich fungovaním je ukrytý veľmi zaujímavý fyzikálny jav?
Hneď na úvod si povedzme, že nemáme na mysli obrovskú rýchlosť svetla, ktoré v optických kábloch prenáša signály. Je síce pravda, že rýchlosť prenosu je jednou z ich veľkých výhod, ale zaujímať nás bude čosi iné. Svetlo, presnejšie jeho lom, tu však bude hrať dôležitú úlohu.
Na rozhraní dvoch prostredí
S lomom svetla má asi väčšina z nás bohaté skúsenosti. Cez hladinu vody sa veci pod ňou zdajú byť akosi zvláštne posunuté. Všeobecne ide o zmenu smeru šírenia svetelných lúčov na rozhraní dvoch materiálov. Tá je spôsobená rôznou rýchlosťou šírenia svetla v týchto prostrediach. Predstavte si dve kolesá na spoločnej osi, čosi ako jednu nápravu auta, ako sa pod uhlom približujú k rozhraniu cesty a lúky. Keď jedno z kolies prejde z rovného asfaltu na hrboľatú trávu, spomalí.
Druhé koleso však ide ešte nejaký čas po ceste, preto pomalšie koleso dobehne. Nie je ťažké domyslieť si, že výsledkom bude natočenie kolies smerom od rozhrania. Vo fyzike nás skôr zaujímajú uhly s kolmicou na prechod materiálov, hovoríme preto o lome ku kolmici.
Lom svetla od kolmice
Rovnakou úvahou prídeme na to, že ak kolesá idú z pomalšieho terénu na rýchlejší, lom nastane smerom od kolmice. To isté platí pre lúč svetla a zmenu smeru jeho šírenia pri prechode medzi prostrediami. Z tejto úvahy sa dá nájsť aj matematický popis toho, ako presne k lámaniu dochádza – zákon lomu – a ak ste ho už niekedy videli, možno si spomínate na sínusy uhlov a indexy lomu. To však pre nás nebude dôležité. Stačí si pamätať, že ak lúč vchádza do materiálu, v ktorom sa pohybuje rýchlejšie, láme sa od kolmice. Napríklad z vody alebo skla do vzduchu. Všimnite si, že to je naopak, ako sme bežne zvyknutí sa pozerať.
Keď zväčšujeme uhol, pod ktorým lúč na rozhranie dopadá, zväčšuje sa uhol, pod ktorým sa láme. Keďže ten druhý uhol je väčší ako ten prvý, pri nejakom uhle dopadu bude uhol lomu 90 stupňov. Pre ešte väčšie uhly to už je lom iný, jednoducho k nemu vôbec nedochádza. (Poznámka pre znalcov a znalkyne: matematicky to znamená, že by sínus uhla lomu mal byť väčší ako 1 – podmienka, ktorá nemá riešenie.)
Fyzika pod vodou a vo vlákne
Tomuto javu hovoríme úplný vnútorný odraz svetla a uhlu, pri ktorom sa lúč prestane lámať, hovoríme kritický uhol. Malá časť lúča sa na rozhraní odrazí vždy, preto sa sklené výklady dajú za vhodných podmienok používať ako zrkadlá, ale pri úplnom odraze sa lúč odrazí bez akýchkoľvek strát.
Jednou z mála príležitostí, keď máme šancu tento efekt priamo pozorovať, je pri potápaní. Keď ste pod vodou a pozeráte sa nahor na hladinu, vidíte svet nad ňou iba v istom malom okruhu nad sebou. Ďalej od vás sa od rozhrania vody a vzduchu úplne odráža svet pod hladinou ako od zrkadla.
Na záver sa vráťme k sľúbeným káblom. Pozrime sa na lúč svetla, ktorý sa šíri rovno v optickom kábli a narazí na zmenu smeru. Ak táto zmena nie je príliš veľká a lúč naráža pod uhlom, ktorý je väčší ako kritický, dôjde k úplnému odrazu a lúč z kábla neujde. Dokonca sa dá spočítať, ako veľmi môžeme kábel danej šírky zatočiť, aby sa z neho žiadne svetlo nedostalo von – a je to výpočet na úrovni fyzikálnej olympiády, žiadna veľmi ťažká veda. Takto nám fyzika úplne zadarmo zabezpečí, že signál ide tam, kam chceme a nemusíme sa o jeho zatáčanie špeciálne starať.
Text a ilustrácie Juraj Tekel
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave
Viac podobných článkov nájdete na stránke vedator.space.
