[2015개정 물리학1] 전반사와 광통신

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?

 

무선 통신, 대서양을 뛰어넘다.

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

 

전리층에서의 반사

3,000km와 같이 머나먼 거리를 전파가 꽤 큰 손실없이 무난하게 전달될 수 있었던 이유에는 어떠한 물리학적 원리가 숨어있을까? 그리고 이 물리학적 원리는 지금 어떠한 방면으로 활용되고 있을까? 이번 시간에는 그 이야기를 해보고자 한다.

1. 전반사

수면 아래에 설치된 광원에서 빛이 나오고 있다. 

빛이 마냥 직진하지 않고 꺾여 진행한다.

우리는 알고 있다.

굴절률의 변화는 빛의 진행 방향을 꺾이게 한다는 걸 말이다. 

빛의 입장에서 물은 밀한 매질(속력이 느림)이고 공기는 소한 매질(속력이 빠름)이다. 따라서 빛의 굴절 경향을 보면 물쪽으로 꺾임을 확인할 수 있다. (빛은 속력이 느려지는 밀한 매질쪽으로 꺾인다.) 그리고 입사각이 커질수록 굴절각이 커지고 있다는 걸 확인할 수 있다.(스넬의 법칙)

그런데...

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

① 물에서 공기로 진행하는 빛은 입사각보다 큰 각도로 굴절하여 진행하고 일부 빛은 수면의 경계에서 반사하여 진행한다. 이때 굴절광선의 빛에너지와 반사광선의 빛에너지 합은 입사광선의 빛에너지와 같다.(에너지 보존 법칙)

 

② 굴절각이 90º가 될 때의 입사각을 '임계각'이라 한다.  스넬의 법칙을 이용하여 임계각을 아래와 같이 구할 수 있다. [전반사 기출문제 최빈출 개념]

n1인 매질에서 n2인 매질로 진행하는 빛의 임계각 구하기

입사 매질에 대한 굴절 매질의 상대 굴절률이 작을수록 임계각이 작아지고, 임계각이 작을수록 전반사가 일어나는 구간이 넓어 전반사가 잘 일어난다.

 

③ 빛이 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 진행하는 경우 임계각보다 큰 각도로 입사하였을 때, 경계면에서 빛이 굴절하지 않고 모두 반사하게 되는 '전반사'가 일어난다.

2. 광섬유와 광통신

광통신에 활용되는 광섬유

유리를 머리카락 굵기 정도로 가늘게 뽑아 만든 광섬유는 광통신에 활용되는 소재다. 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. 

 

이러한 광섬유는 빛을 원하는 지점까지 전달하는 레이저 가공기나 의료용 내시경에 활용하거나 빛을 이용해 정보를 주고받는 광통신에 활용한다.

 

광섬유 구조

광섬유는 빛의 전반사를 활용한 신소재라 봐도 무방하다. 광섬유는 굴절률이 큰 코어를 굴절률이 작은 클래딩이 둘러싸고 있는 이중 원기둥 구조다. 

 

코어의 굴절률이 클래딩의 굴절률보다 크기 때문에 코어 내부로 입사한 빛은 경계면에서 전반사하면서 코어 내부를 따라 전달된다. 이 과정에서 빛이 손실이 거의 발생하지 않아 빛을 멀리까지 전달할 수 있다.