कुल आंतरिक परावर्तन - ऑप्टिकल फाइबर और मृगतृष्णा निर्माण

कुल आंतरिक परावर्तन का परिचय

कुल आंतरिक परावर्तन प्रकाशिकी में एक आकर्षक घटना है जो तब घटित होती है जब प्रकाश की एक तरंग एक माध्यम से गुजरकर दूसरे माध्यम की सीमा पर एक निश्चित समालंब कोण पर पहुँचती है। जब ऐसा होता है, तो प्रकाश दूसरे माध्यम में प्रवेश नहीं करता, बल्कि यह पूरी तरह से पहले माध्यम में लौटता है। यह प्रकाशीय घटना जैसे ऑप्टिकल फाइबर और मृगतृष्णा के निर्माण में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।

प्रकाश के मूल सिद्धांत

कुल आंतरिक परावर्तन को समझने के लिए, हमें पहले प्रकाश के कुछ मूल सिद्धांतों को समझना होगा। प्रकाश विभिन्न माध्यमों में विभिन्न गति से यात्रा करता है, जैसे हवा, पानी या काँच। गति में बदलाव के कारण प्रकाश एक माध्यम से दूसरे माध्यम में जाते समय मुड़ता या अपवर्तित होता है। इस मोड़ को सेल की विधि द्वारा वर्णित किया जाता है:

n1 * sin(θ1) = n2 * sin(θ2)

जहाँ:

• n1 पहले माध्यम का अपवर्तनांक है
• θ1 अपवर्तन कोण है (आकारण किरण और सतह के समकोण के बीच का कोण)
• n2 दूसरे माध्यम का अपवर्तनांक है
• θ2 अपवर्तन कोण है

क्रिटिकल कोण और कुल आंतरिक परावर्तन

जब प्रकाश उच्च अपवर्तनांक वाले माध्यम से कम अपवर्तनांक वाले माध्यम में जाता है, जैसे पानी से हवा में, तो यह समकोण से दूर मोड़ता है। एक निश्चित आकस्मिक कोण पर, जिसे क्रिटिकल कोण कहा जाता है, अपवर्तित प्रकाश किरण दोनों माध्यमों की सीमा के साथ यात्रा करती है। यदि आकस्मिक कोण इस क्रिटिकल कोण से बड़े हो जाते हैं, तो प्रकाश दूसरे माध्यम में नहीं प्रवेश करता है और पूरी तरह से मूल माध्यम में लौटता है। इसे कुल आंतरिक परावर्तन कहा जाता है।

कुल आंतरिक परावर्तन का क्रिटिकल कोण निम्नलिखित सूत्र का उपयोग करके गणना किया जा सकता है:

θc = sin -1 (n2 / n1)

इसका एक व्यावहारिक उदाहरण यह है जब आप स्विमिंग पूल के पानी के अंदर होते हैं और ऊपर की ओर देखते हैं। यदि आप पानी की सतह के सापेक्ष एक छोटे कोण से देखते हैं, तो आप पानी के नीचे अपना प्रतिबिंब देख सकते हैं, ऊपर के बजाय।

कुल आंतरिक परावर्तन के अनुप्रयोग

ऑप्टिकल फाइबर

कुल आंतरिक परावर्तन का सबसे महत्वपूर्ण अनुप्रयोग ऑप्टिकल फाइबर में है। ऑप्टिकल फाइबर स्वयं प्रकाश को लंबे दूरी तक स्थानांतरित कर सकते हैं। ये फाइबर कुल आंतरिक परावर्तन का उपयोग करते हैं ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि प्रकाश फाइबर की सीमा पर क्रिटिकल कोण से बड़े कोण पर टकराए, जिससे वह कोर में फंसा रहे।

यह सिद्धांत ऑप्टिकल फाइबर को प्रकाश संकेतों के रूप में डेटा को स्थानांतरित करने की अनुमति देता है, जिससे वे उच्च गति वाले इंटरनेट, टेलीविजन, और टेलीफोन संचार के लिए महत्वपूर्ण होते हैं। ऑप्टिकल फाइबर के कोर का अपवर्तनांक परिवेशीय क्लैड की तुलना में उच्च होता है, जिससे प्रभावी कुल आंतरिक परावर्तन संभव होता है।

मृगतृष्णा संरचना

कुल आंतरिक परावर्तन का एक और दिलचस्प उदाहरण मृगतृष्णा का निर्माण होता है। एक मृगतृष्णा स्वाभाविक रूप से उत्पन्न होने वाली एक प्रकाशीय घटना है जिसे गर्म सतहों जैसे रेगिस्तान या सड़कों पर अक्सर देखा जाता है। मृगतृष्णा तब उत्पन्न होती है जब विभिन्न तापमान की वायु की परतें प्रकाश को असामान्य रूप से मोड़ या अवर्तित करती हैं।

गर्म दिन पर, जमीन के उपरी भाग की हवा गर्म हो जाती है। यह गर्म वायु परत कम घनत्व और अपवर्तनांक की होती है, जबकि इसके ऊपर की हवा ठंडी होती है। आकाश से आने वाला प्रकाश इन बदलती वायु परतों द्वारा अपवर्तित होता है। कुछ बिंदु पर, यदि कोण सही होता है, तो कुल आंतरिक परावर्तन होता है, जिससे प्रकाश मोड़ खाकर पानी या दूरस्थ नखलिस्तान का भ्रम पैदा हो जाता है, जिसे मृगतृष्णा कहा जाता है।

कुल आंतरिक परावर्तन के लिए शर्तें

कुल आंतरिक परावर्तन होने के लिए दो महत्वपूर्ण शर्तें पूरी होनी चाहिए:

• प्रकाश को उच्च अपवर्तनांक वाले माध्यम से कम अपवर्तनांक वाले माध्यम में जाना चाहिए।
• आपतन कोण क्रिटिकल कोण से बड़ा होना चाहिए।

आइए इसे एक सामान्य अनुभव के साथ चित्रित करें। एक पानी के गिलास में एक चम्मच रखिए। जब आप इसे एक कोण से देखते हैं, तो चम्मच पानी के सतह पर मुड़ता हुआ प्रतीत होता है, यह अपवर्तन के कारण होता है। अन्यथा, सीधा पानी के अंदर देखने की कल्पना कीजिए। यदि सही ढंग से किया जाए, तो एक ऐसा कोण आता है जहाँ आपको चम्मच दिखाई नहीं देता, क्योंकि सीमा पर कुल आंतरिक परावर्तन होता है।

गणितीय व्युत्पत्ति और व्याख्या

कुल आंतरिक परावर्तन को गणितीय रूप से बेहतर समझने के लिए, एक सरल परिदृश्य पर विचार करें जिसमें प्रकाश काँच से हवा में यात्रा कर रहा है। मान लें:

• n1 = 1.5 (काँच के लिए सामान्य अपवर्तनांक)
• n2 = 1.0 (हवा का अपवर्तनांक)

क्रिटिकल कोण के लिए सूत्र में प्लगिंग:

θc = sin -1 (1.0 / 1.5) ≈ 41.8°

इसलिए, कोई भी आपतन कोण जो 41.8° से बड़ा होगा, कुल आंतरिक परावर्तन उत्पन्न करेगा।

प्रतिदिन के उदाहरण

कुल आंतरिक परावर्तन सिर्फ संचार तकनीक या वायुमंडलीय प्रकाशिकी में ही नहीं, बल्कि यह कई प्रतिदिन की घटनाओं में भी शामिल है।

हीरे की चमक

हीरे कुल आंतरिक परावर्तन के कारण चमकते हैं। जब प्रकाश हीरे के अंदर प्रवेश करता है, तो यह बाहर निकलने से पहले कई बार प्रदर्शित होता है, जिससे हीरे की प्रसिद्ध चमक उत्पन्न होती है।

पेरिस्कोप

पेरिस्कोप में कुल आंतरिक परावर्तन का उपयोग किया जाता है ताकि पनडुब्बियां पानी की सतह के ऊपर देख सकें। इस डिज़ाइन से यह सुनिश्चित होता है कि सभी प्रकाश पेरिस्कोप के भीतर आंतरिक रूप से प्रदर्शित हो, जिससे पानी के नीचे से भी एक साफ छवि मिलती है।

निष्कर्ष

कुल आंतरिक परावर्तन प्रकाशिकी में एक अनिवार्य अवधारणा है, जो कई तकनीकों और प्राकृतिक घटनाओं का आधार बनता है। ऑप्टिकल फाइबर के भीतर प्रतिबिंब के क्रिटिकल कोण से लेकर रेगिस्तान में प्रकाश की गति तक, कुल आंतरिक परावर्तन से यह समझ में आता है कि प्रकाश की तरंगें विभिन्न माध्यमों के साथ किस तरह से संवाद करती हैं। इन सिद्धांतों को समझने से तकनीकी प्रगति और सुंदर प्राकृतिक घटनाओं पर प्रकाश डाला जाता है।

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