전반사와 광통신

2021.11.08 - [2021 물리학1] - 파동의 굴절과 생각의 왜곡 (스넬의 법칙, 신기루)

파동의 굴절과 생각의 왜곡 (스넬의 법칙, 신기루)

무선 통신을 발명한 물리학자 마르코니는 영국에서 3,000km나 떨어진 미국까지 무선 통신을 시도했다. 당시만 해도 과학자들은 지구가 둥글기 때문에 직진하는 전파가 미국까지 도달하기 어려울 것이라고 했지만, 전파는 성공적으로 미국 안테나에 수신됐다. 전파는 어떻게 휘어진 경로로 진행할 수 있었을까?

 

그 비밀은 바로 지구 대기의 전리층에 있다. 대기를 진행하던 전파는 전리층에서 안쪽으로 반사되고, 다시 땅에서 반사된다. 전파는 이러한 지그재그 경로를 거쳐 영국에서 미국까지 이동할 수 있었다.

전리층에서의 반사

전파가 3,000km와 같은 긴 거리를 큰 손실없이 무난하게 이동할 수 있는 이유에는 어떠한 물리학적 원리가 숨어있을까? 이번 시간에는 그 이야기를 해보고자 한다.

학습 목표

파동의 전반사 원리를 이용한 광통신 과정을 설명할 수 있다.

핵심 키워드 조직도

※학습 목표 및 핵심 키워드 조직도 분석

이번 시간은 파동의 굴절의 연장선상으로써 빛이 굴절하기 때문에 갖는 특이 현상인 '전반사'에 대해서 알아본다. 빛이 전반사하기 위한 조건을 찾기 위해 스넬의 법칙을 적용할 것이며, 전반사가 광통신에 어떻게 활용되는지 알아본다.

1. 전반사

수면 아래에 설치된 광원에서 빛이 나오고 있다. 물-공기 경계면에 비스듬하게 입사한 빛은 마냥 직진하지 않고 굴절한다. 

빛의 기준에서 물은 밀한 매질이고 공기는 소한 매질이다. 따라서 빛은 물쪽으로 꺾인다. (굴절각이 입사각보다 크다.) 그리고 입사각이 커질수록 굴절각이 커지고 있음을 확인할 수 있다.(스넬의 법칙)

그러나 어떤 임의의 각도로 입사한 빛은 굴절하지 않고 물과 공기의 경계에서 모두 반사해버린다. 이러한 현상을 전반사라 한다. 전(체)반사

①번 상황 해설: 물에서 공기로 진행하는 빛의 일부는 입사각보다 큰 각도로 굴절하여 진행하고 일부 빛은 수면의 경계에서 반사하여 진행한다.

 

반사의 법칙

입사하는 빛이 물체면에서 반사될 때, 입사각과 반사각의 크기는 항상 같다.

 

에너지 보존의 법칙

굴절 광선의 빛 에너지와 반사 광선의 빛 에너지 합은 입사광선의 빛 에너지와 같다.

 

②번 상황 해설: 굴절각이 90º가 될 때의 입사각을 '임계각'이라 한다. 스넬의 법칙을 이용하여 임계각을 아래와 같이 구할 수 있다.

n1인 매질에서 n2인 매질로 진행하는 빛의 임계각 구하기

임계각으로 빛이 입사하면 굴절각이 90º가 된다. 그래서 빛이 뭔가 경계면을 따라 이동해야 할 거 같다.

하지만 아니다. 입사하는 빛은 죄다 입사각과 같은 각으로 반사된다.

(대학 물리 내용임. 그런갑다 하고 넘어가고 정 궁금한 사람은 교무실로 비밀스럽게 찾아오세요.) 

 

결론은 임계각은 빛이 전반사하기 위한 최소 각도이다.

 

③번 상황 해설: 빛이 굴절률이 큰 매질(밀한 매질)에서 작은 매질(소한 매질)로 진행하는 경우, 임계각보다 큰 각도로 입사하였을 때, 경계면에서 빛이 굴절하지 않고 모두 반사되는 '전반사'가 일어난다.

2. 광섬유와 광통신

광통신에 활용되는 광섬유

광섬유는 빛의 전반사를 활용한 신소재다. 유리를 머리카락 굵기 정도로 가늘게 뽑아 만든 광섬유는 광통신에 활용된다. 광통신이란 빛을 이용해 통신하는 방법이다. 전기를 이용해 통신하는 것보다는 빛 신호를 이용할 때 더 많은 정보를 전송할 수 있고, 더 먼 거리까지 정보를 전송할 수 있는 장점이 있다.

 

광섬유는 광통신 말고도 빛을 원하는 지점까지 전달하는 레이저 가공기나 의료용 내시경에도 활용된다.

 

광섬유 구조

광섬유는 굴절률이 큰 코어(밀한 매질)를 굴절률이 작은 클래딩(소한 매질)이 둘러싸고 있는 이중 원기둥 구조이다. (어디까지나 빛의 기준에서 코어가 밀한 매질, 클래딩이 소한 매질이다.)

 

코어의 굴절률이 클래딩의 굴절률보다 크기 때문에 빛이 코어 내부로 임계각 이상으로 입사한다면 경계면에서 전반사하면서 코어 내부를 따라 전달될 수 있다.

 

이 과정에서 빛의 손실이 거의 발생하지 않아 빛을 멀리까지 전달할 수 있다. 게다가 광섬유 내에서 진행하는 빛은 외부 전파에 의한 간섭을 받지 않으므로 더욱 효과적으로 정보를 전달할 수 있다.

3. 기출문제 풀어보기

15년도 10월 학평 물리 1 17번/ 정답률 84%

답: 5번

 

14년도 3월 학평 물리1 5번/ 정답률 60%

답: 1번

 

15년도 9월 모평 물리1 13번/ 정답률 82%

답: 4번→5번

 

13년도 7월 학평 물리1 18번/ 정답률 59%

답: 2번