Пречу̀пване или рефрàкция е промяна в посоката на една вълна при изменение на параметрите на средата на разпространение, водещо до промяна на нейната скорост. Явлението се наблюдава най-често при преминаване от една среда в друга или при преминаване в същата среда с променени параметри: диелектрична или магнитна проницаемост. Рефракцията съществува при всички видове вълни. Примери за това са преминаването на звукова, светлинна или радиовълна от една среда в друга или когато водните вълни преминават на различна дълбочина.

Сламката изглежда счупена поради пречупването на светлината при нейното преминаване през границата въздухвода.
Ефект на светлината, пречупена през стъкло.
Пречупване на светлината на границата въздух – плексиглас.

Пречупването на светлината е частен случай на рефракция. Тъй като при преминаването през границата въздух – стъкло се наблюдава пречупване на светлината, ефектът е бил използван за създаване на оптичните лещи и лежи в основата на действие на всички оптични уреди. Той обяснява и редица светлинни явления като небесната дъга, миражите, разлагането на бялата светлина на цветове при преминаването ѝ през призма и др.

Основни понятия редактиране

Принцип на Ферма редактиране

Принципът на Ферма̀ гласи: вълните се разпространяват в пространството по път, по който това става за минимално време. [1] Законът на Снелиус следва директно от този принцип.

Коефициент (показател) на пречупване редактиране

Коефициент на пречупване на веществото (средата) е физична величина, равна на отношението на скоростите на светлината във вакуум ( ) и в средата на разпространение ( ):  . За електромагнитни вълни (например светлината) показателят на пречупване може да бъде изразен и като корен квадратен от произведението на магнитната ( ) и диелектричната ( ) проницаемост на средата:  .

Коефициентът на пречупване зависи от свойствата на веществото и от дължината на вълната на излъчването. Съществуват оптично анизотропни вещества, в които показателят на пречупване зависи от посоката на разпространение и поляризацията на светлината. За измерване на коефициента на пречупване се използват рефрактометри.

 
Закон на Снелиус за пречупване на лъч на границата между две среди: ако втората среда е по-плътна, с коефициент на пречупване  , ъгълът на пречупване е по-малък от ъгъла на падане  

Лъчи и ъгли редактиране

Физичните величини, отнасящи се за първата среда (в която е разположен източникът на светлина), се означават с индекс 1, а тези, които се отнасят за втората – с индекс 2. Тогава:

  •   е коефициентът на пречупване на първата среда;
  •   е ъгълът на падане;
  •   е коефициентът на пречупване на втората среда;
  •   е ъгълът на пречупване.

Закон на Снелиус редактиране

Качественото описание на пречупването на светлината на границата на две среди се дава от следните зависимости:

  • при преминаване на светлинен лъч от оптично по-рядка (с по-малък коефициент на пречупване) в оптично по-плътна среда (с по-голям коефициент на пречупване) ъгълът на пречупване е по-малък от ъгъла на падане;
  • при преминаване на светлинен лъч от оптично по-плътна в оптично по-рядка среда ъгълът на пречупване е по-голям от ъгъла на падане.

Точната количествена зависимост при пречупването на светлината се описва от закона на Снелиус – отношението на коефициентите на пречупване е равно на отношението на скоростите на разпространение на вълната в двете среди и реципрочното отношение на техните коефициенти на пречупване:

 
Пречупване във вода. С тъмната линия е означено реалното положение на сламката във водата, а със светлата – това, което вижда окото от страната на въздуха. Краят Х изглежда за окото на дълбочина Y – доста по-плитко от реалната дълбочина.
 

или

 .

Законът е открит през 1621 г. от холандския математик Вилеброрд Снел, известен също и с латинското име Снелиус.

В случая, когато светлинният лъч преминава от оптически по-плътна в оптически по-рядка среда, при определен ъгъл на падане  , наречен граничен, ъгълът на пречупване   става равен на 90 градуса, следователно

 .

Тогава нямаме пречупена вълна, а само отразена, което е в сила при всички ъгли на падане, по-големи от граничния ъгъл. Това явление се нарича пълно вътрешно отражение.

Атмосферна рефракция редактиране

Явлението характеризира разпространението на електромагнитните вълни в атмосферата. Атмосферата е нееднородна среда и при изменение на нейната диелектрична или магнитна проницаемост се изменя коефициентът на пречупване и посоката на разпространение на вълната. Тези изменения стават плавно и траекторията на вълната плавно се променя, доближавайки се до крива линия. Така вълните в тропосферата се движат по криволинейни траектории, чиято посока и радиус зависят от това как се променя коефициентът на пречупване. Той се изменя слабо с промяна на височината – едва след петия или четвъртия десетичен знак. Затова се въвежда спомагателният параметър индекс на пречупване [1]

 .

Ако индексът на пречупване нараства с увеличаване на височината  , траекториите на вълните са изпъкнали надолу, обратно на кривината на земята и разстоянието на пряка видимост намалява. Такава рефракция се нарича отрицателна. Наблюдава се рядко, обикновено при снеговалеж.

При непроменящ се индекс на пречупване с изменение на височината  , вълните се движат по праволинейни траектории и има нулева рефракция. Разстоянието на пряка видимост не се изменя:

 ,

където   и   са височините от земята на точките на излъчване и приемане на вълната, например височините на предавателната и приемната антени.

Ако индексът на пречупване намалява с нарастване на височината  , траекториите на вълните са изпъкнали нагоре, съвпадат с кривината на земята и разстоянието на пряка видимост за вълната се увеличава. Такава рефракция се нарича положителна и е най-често срещаната.

При нормални атмосферни условия (в нормална тропосфера) за въздуха над повърхността на земята    , а плътността на атмосферата, диелектричната проницаемост, коефициентът и индексът на пречупване намаляват с нарастване на височината  . Такава положителна рефракция се нарича нормална. Вълните се разпространяват по криволинейни траектории с радиус 25000 км, изпъкнали нагоре, които съвпадат с кривината на земята и разстоянието на пряка видимост се увеличава на [1]

 .

Вижте също редактиране

Източници редактиране

  1. а б в Дамянов Д. Д. – Разпространение на радиовълните, ВТС, 1975.