Десятый класс
  1. Механика  1.1. Динамика  1.1.1. Движение в одном измерении  1.1.2. Движение в двух измерениях  1.1.3. Смещение и расстояние  1.1.4. Скорость и Вектор  1.1.5. Ускорение  1.1.6. Графическое представление движения  1.1.7. Equations of motion  1.1.8. Свободное падение и ускорение свободного падения  1.1.9. Движение тела, брошенного под углом к горизонту  1.1.10. Относительная скорость  1.2. Динамика  1.2.1. Законы движения Ньютона  1.2.2. Инерция и масса  1.2.3. Сила и ее виды  1.2.4. Сила действия и противодействия  1.2.5. Friction and its effects  1.2.6. Коэффициент трения  1.2.7. Круговое движение  1.2.8. Центростремительная сила и центростремительное ускорение  1.2.9. Импульс и количество движения  1.2.10. Conservation of momentum  1.2.11. Третий закон Ньютона и его применения  1.3. Работа, энергия и мощность  1.3.1. Работа, совершаемая силой  1.3.2. Теорема о работе и энергии  1.3.3. Кинетическая энергия  1.3.4. Потенциальная энергия  1.3.5. Mechanical energy  1.3.6. Сохранение энергии  1.3.7. Мощность и эффективность  1.3.8. Возобновляемые и невозобновляемые источники энергии  1.4. Гравитационная сила  1.4.1. Закон всемирного тяготения Ньютона  1.4.2. Гравитационное поле и напряженность поля  1.4.3. Ускорение свободного падения на разных планетах  1.4.4. Законы движения планет Кеплера  1.4.5. Orbits and satellites  1.4.6. Вес и кажущийся вес  1.4.7. Гравитационная потенциальная энергия
  2. Свойства материи  2.1. States of matter  2.1.1. Твердое, жидкое и газообразное  2.1.2. Molecular structure of matter  2.1.3. Межмолекулярные силы  2.1.4. Плазма и конденсат Бозе–Эйнштейна  2.2. Давление  2.2.1. Определение давления  2.2.2. Pressure in liquids  2.2.3. Атмосферное давление  2.2.4. Принцип Паскаля  2.2.5. Принцип Архимеда и плавучесть  2.2.6. Поверхностное натяжение и капиллярность  2.3. Эластичность  2.3.1. Закон Гука  2.3.2. Stress and strain  2.3.3. Предел упругости и модуль упругости  2.3.4. Применения упругости
  3. Thermal physics  3.1. тепло и температура  3.1.1. Difference Between Heat and Temperature  3.1.2. Температурная шкала  3.1.3. Тепловое расширение  3.1.4. Тепловое равновесие  3.2. Теплопередача  3.2.1. Проводимость  3.2.2. Конвекция  3.2.3. Излучение  3.2.4. Insulation and its applications  3.3. Тепловые свойства вещества  3.3.1. Удельная теплоемкость  3.3.2. Скрытая теплота и фазовые переходы  3.3.3. Boiling and Melting Point  3.3.4. Тепловые двигатели и холодильные установки  3.4. Законы термодинамики  3.4.1. Нулевой закон термодинамики  3.4.2. Первый закон термодинамики  3.4.3. Второй закон термодинамики  3.4.4. Цикл Карно
  4. Волны и оптика  4.1. Природа и свойства волн  4.1.1. Типы волн в природе и свойства волн  4.1.2. Поперечные и продольные волны  4.1.3. Параметры волн  4.1.4. Отражение и преломление волн  4.1.5. Суперпозиция и интерференция  4.1.6. Стоячие волны и резонанс  4.1.7. Эффект Доплера  4.2. Звуковые волны  4.2.1. Характеристики звуковых волн  4.2.2. Скорость звука в разных средах  4.2.3. Применение звуковых волн  4.2.4. Ультразвук и его использование  4.3. Light Waves and Optics  4.3.1. Природа света  4.3.2. Отражение света  4.3.3. Laws of reflection  4.3.4. Mirrors and Image Formation  4.3.5. Преломление света  4.3.6. Закон Снелла  4.3.7. Линзы и образование изображения  4.3.8. Полное внутреннее отражение и критический угол  4.3.9. Оптическое волокно  4.4. Оптические приборы  4.4.1. Microscope  4.4.2. Телескоп  4.4.3. Человеческий глаз и дефекты зрения  4.4.4. Камера и принцип ее работы
  5. Электричество и магнетизм  5.1. Электростатика  5.1.1. Электрический заряд и его свойства  5.1.2. Проводники и изоляторы  5.1.3. Coulomb's law  5.1.4. Электрическое поле и линии поля  5.1.5. Electric potential and potential difference  5.1.6. Конденсаторы и емкость  5.2. Ток электричества  5.2.1. Electric current and its measurement  5.2.2. Закон Ома  5.2.3. Сопротивление и удельное сопротивление  5.2.4. Последовательные и параллельные цепи  5.2.5. Электрическая энергия и мощность  5.2.6. Законы Кирхгофа  5.3. Магнетизм и электромагнетизм  5.3.1. Магнитное поле и линии поля  5.3.2. Магнитные эффекты электрического тока  5.3.3. Электромагнитная индукция  5.3.4. Законы электромагнитной индукции Фарадея  5.3.5. Трансформаторы и их применение  5.3.6. AC and DC current
  6. Современная физика  6.1. Nuclear physics  6.1.1. Структура атома  6.1.2. Атомная модель Бора  6.1.3. Энергетические уровни электронов  6.1.4. Рентгеновские лучи и их применение  6.2. Радиоактивность  6.2.1. Виды радиации  6.2.2. Half-life and radioactive decay  6.2.3. Ядерные реакции и их применения  6.2.4. Деление и Синтез  6.3. Quantum physics  6.3.1. Дуализм волна-частица  6.3.2. Photoelectric effect  6.3.3. Квантизация энергии  6.3.4. Принцип неопределённости Гейзенберга
  7. Электроника и связь  7.1. Полупроводники  7.1.1. Проводники, изоляторы и полупроводники  7.1.2. Диоды и их применение  7.1.3. Транзисторы и логические элементы  7.1.4. Светодиоды и фотодиоды  7.2. Системы Коммуникации  7.2.1. Основы коммуникации  7.2.2. Аналоговые и цифровые сигналы  7.2.3. Беспроводная связь и оптоволоконная связь  7.2.4. Радиоволны и модуляция

Десятый класс → Волны и оптика → Light Waves and Optics ↓


Оптическое волокно


Оптические волокна — это специальные нити из стекла или пластика, используемые для передачи света на большие расстояния. Эти волокна невероятно тонкие, иногда такие же тонкие, как человеческий волос. Но, несмотря на их размер, они совершили революцию в способах передачи информации — от телефонных разговоров до высокоскоростных интернет-данных.

Как работает оптическое волокно

Оптические волокна работают на принципе передачи света, известном как «полное внутреннее отражение». Чтобы понять это, нужно разложить процесс на несколько ключевых концепций: световые волны, преломление и отражение.

Световые волны

Свет путешествует волнами. Эти волны имеют как частоту, так и длину, которые определяют их цвет и энергию. В контексте оптического волокна нас больше всего интересует определённый диапазон длин волн, который может эффективно путешествовать через волокно. Обычно используется свет в инфракрасном диапазоне, поскольку он испытывает меньшую аттенюацию (или потерю) при прохождении через волокно.

Преломление и отражение

Преломление — это изгиб света при прохождении между веществами с разными показателями преломления. Показатель преломления — это мера того, насколько вещество может изгибать свет. Вы могли заметить, что соломинка в стакане с водой кажется изогнутой на поверхности — это из-за преломления.

Отражение происходит, когда свет отражается от поверхности, а не проходит через неё. В оптических волокнах важен особый вид отражения, называемый полным внутренним отражением. Оно происходит, когда свет падает на границу под таким углом, что полностью отражается внутри более плотной среды (например, оболочки вокруг сердцевины), а не проходит в менее плотную среду (например, сердцевину оптического волокна).

Структура оптического волокна

Оптическое волокно обычно состоит из трёх слоёв:

1. Сердцевина

Сердцевина — это тонкая нить из стекла или пластика в центре волокна. Это среда, через которую проходит свет. Диаметр сердцевины может варьироваться в зависимости от применения, но для большинства телекоммуникационных применений он довольно мал, часто около 8-10 микрометров для одномодового волокна.

2. Оболочка

Вокруг сердцевины находится оболочка, сделанная из материала с более низким показателем преломления, чем у сердцевины. Это различие в показателях и делает возможным полное внутреннее отражение. Оболочка обеспечивает отражение света, проходящего через сердцевину, вовнутрь, поддерживая целостность сигнала на большие расстояния.

главная Оболочка

3. Покрытие

Покрытие — это внешний слой, защищающий волокно от физических повреждений и воздействия окружающей среды. Обычно оно сделано из пластика и не играет прямой роли в передаче света, но обеспечивает прочность и гибкость волокна.

Полное внутреннее отражение в оптическом волокне

Полное внутреннее отражение — это основной механизм, позволяющий оптическим волокнам эффективно передавать свет. Это работает следующим образом:

Когда свет попадает в сердцевину оптического волокна под определённым углом, он достигает интерфейса между сердцевиной и оболочкой. Если этот угол больше так называемого критического угла, происходит полное внутреннее отражение, и свет продолжает отражаться вдоль волокна. Формула критического угла ( θ ) такова:

    θ c = arcsin(n cladding / n core )
    θ c = arcsin(n cladding / n core )

Здесь n cladding и n core обозначают коэффициенты преломления оболочки и сердцевины соответственно. Полное внутреннее отражение гарантирует, что свет полностью отражается по всей длине волокна, минимизируя потери и поддерживая качество передаваемого сигнала.

θ C

Типы оптического волокна

Оптические волокна можно классифицировать на два основных типа в зависимости от режимов передачи:

Одномодовое волокно

Одномодовые волокна имеют небольшой диаметр сердцевины (около 8-10 микрометров) и предназначены для передачи света прямо по волокну с минимальным отражением. Эта конструкция позволяет им передавать сигналы на большие расстояния с большей пропускной способностью, чем многомодовые волокна.

Многомодовое волокно

Многомодовые волокна имеют больший диаметр сердцевины (обычно около 50-62,5 микрометра), что позволяет передавать несколько световых режимов. Эти волокна обычно используются для более коротких расстояний передачи, поскольку различные режимы могут вызывать дисперсию, что означает, что сигнал может искажаться на больших расстояниях.

Применения оптического волокна

Оптические волокна имеют широкий спектр применений, поскольку они способны передавать большие объёмы данных с минимальными потерями. Основные из их применений:

Телекоммуникации

Наиболее распространённое использование оптических волокон — в телекоммуникациях, где их используют для передачи телефонных сигналов, интернет-коммуникаций и сигналов кабельного телевидения. Их высокая пропускная способность и низкие искажения делают их идеальными для передачи больших объёмов данных на большие расстояния.

Медицинская визуализация

Оптические волокна также используются в медицинской визуализации, такой как эндоскопия. Пучок волокон может передавать изображения изнутри тела пациента на монитор, позволяя врачам видеть внутренние органы и ткани без инвазивной хирургии.

Промышленные и военные приложения

Оптические волокна используются в различных промышленных приложениях, включая системы мониторинга энергетического сектора и военные коммуникации. Их устойчивость к электромагнитным помехам делает их идеальными для безопасной и надежной передачи данных.

Преимущества оптического волокна

Существуют несколько преимуществ использования оптического волокна для передачи данных:

  • Высокая пропускная способность: Оптические волокна могут передавать значительно больше информации, чем традиционные медные провода. Это делает их необходимыми для высокоскоростных интернет- и коммуникационных сетей.
  • Передача на большие расстояния: Волокна могут передавать данные на большие расстояния без значительных потерь, уменьшая необходимость в повторителях.
  • Защита от электромагнитных помех: В отличие от медных кабелей, оптические волокна не подвергаются влиянию электромагнитных помех, обеспечивая чёткость сигнала.
  • Лёгкость и гибкость: Оптические волокна легче и гибче, чем металлические кабели, что облегчает их установку и обслуживание.

Проблемы и соображения

Несмотря на свои преимущества, оптическое волокно также имеет некоторые проблемы:

  • Установочные затраты: Первоначальная стоимость установки волоконно-оптического кабеля может быть выше, чем у медного кабеля.
  • Хрупкость: Оптические волокна более хрупкие, чем металлические провода, поэтому требуют тщательного обращения и управления.
  • Специализированное оборудование: Волоконно-оптические системы часто требуют специального оборудования и обучения для установки и обслуживания, что может увеличить затраты.

Заключение

Оптические волокна являются важной составляющей современных коммуникационных систем, обеспечивая основу для интернета, телевидения и телефонных сетей по всему миру. Их способность передавать световые сигналы на большие расстояния с минимальными потерями и помехами делает их незаменимыми в нашем всё более связанном мире. Несмотря на проблемы с высокой начальной стоимостью и сложностью обработки, преимущества высокой пропускной способности, устойчивость к помехам и возможности передачи на большие расстояния делают их предпочтительным выбором для многих приложений.


Десятый класс → 4.3.9


U
username
0%
завершено в Десятый класс

← Предыдущий (4.3.8)
Полное внутреннее отражение и критический угол
Следующий (4.4) →
Оптические приборы

Комментарии 



Оптическое волокно

https://www.physicsflow.com/g10/4.3.9?pfal=ru