مدل مایع فیبر نوری

از ویکی خرد

فهرست مندرجات ۱ فیبر نوری چیست؟ ۲ اجزای فیبر نوری ۲.۱ 1-هسته(core) ۲.۲ 2-غلاف یا روکش (Cladding) ۲.۳ 3-بافر رویه یا روکش محافظ( Buffer Coating ) ۳ هدف پروژه ۴ مبانی فیزیکی ۴.۱ شکست نور ۴.۲ زاويه ی حد ۴.۳ بازتاب کلی ۴.۴ بازتابش کلی در فیبر نوری ۵ چگونگی ساخت فیبر نوری مایع ۵.۱ ساخت دستگاه ۵.۲ آزمایش ها ۶ یافته ها و نتیجه گیری ۷ منابع ۸ معلم راهنما ۹ اعضای گروه

فیبر نوری چیست؟

فیبرهای نوری رشته های بلند و نازکی که جنس آن ها معمولا از شیشه بسیار خالص است . ضخامت فیبر های نوری بسار کم است. آنها در بسته هایی به نام کابل‌های نوری کنار هم قرار داده می‌شوند و برای انتقال سیگنال‌های نوری در فواصل دور مورد استفاده قرار می‌گیرند. از آنها همچنین برای عکسبرداری پزشکی و معاینه های فنی در مهندسی مکانیک استفاده می‌شود.

لازم به ذکر است که در فیبر های نوری بر حسب نیاز علاوه بر شیشه و پلاستیک می توان از مواد آلی،بلور های نوری و مواد نیم رسانا نیز استفاده کرد .

اجزای فیبر نوری

1-هسته(core)

هسته بخش مرکزی فیبر است که از شیشه ساخته شده و نور در این قسمت سیر می‌کند.

2-غلاف یا روکش (Cladding)

واسطه شفافی که هسته مرکزی فیبر نوری را احاطه می‌کند وباعث انعکاس نور به داخل هسته می‌شود.

3-بافر رویه یا روکش محافظ( Buffer Coating )

روکشی پلاستیکی که فیبر نوری در برابر رطوبت و آسیب های فیزیکی محافظت می‌کند.

لاذم به ذکر است که ضریب شکست مغز و غلاف با یکدیگر تفاوت دارد . به طوری که ضریب شکست هسته از غلاف بیش تر است که علت این امر در ادامه به طور کامل توضیح داده خواهد شد.

هدف پروژه

هدف ما از انجام این پروژه رسیدن به مدلی مایع از فیبر نوری بود که کمترین میزان تضعیف شدت نور را داشته باشد .

مبانی فیزیکی

شکست نور

شکست نور یک پدیده اپتیکی است که در آن نور رسیده از یک منبع نورانی به خاطر تغییر سرعتی که برای آن در دو محیط با ضریب شکست متفاوت رخ می‌دهد دچار تغییر مسیر می‌شود.

زاويه ی حد

هر گاه پرتو نوري از محيط غليظ به محيط رقيق طوري بتابد كه زاويه شكست 90 باشد، و پرتو خروجي مماس بر سطح باشد، زاويه تابش را زاويه ي حد گويند. هر محيط شفافي داراي زاويه ي حد معيني است.

با استفاده از قانون شكست نور مي توان زاويه ي حد را در هر محيط ضريب شكست آن بزرگتر از ضريب شكست محيطي است كه با آن مرز مشترك دارد تعيين نمود.

هر گاه پرتو نوري از محيط غليظ به محيط رقيق طوري بتابد كه زاويه شكست 90 درجه باشد و پرتو خروجي مماس بر سطح جدایی دو محیط خارج شود ، به آن زاویه ی تابش مشخص ، زاویه ی حد می گویند .

طبق قانون اسنل دکارت :

r = 90° sin i c/ sin r = 1/n sin i c / sin 90° = 1/n sin i c = 1/n

بازتاب کلی

اگر زاویه ی تابش از زاویه ی حد ماده بیشتر باشد پرتو تابش شکسته نشده و از محیط خارج نمی شود . بلکه به درون محیط خود باز می گردد . به این پدیده ، پدیده بازتاب کلی می گوییم .

بازتابش کلی در فیبر نوری

بنابر طبق فرمول اسنل دکارت بازتابش کلی فقط در مواردی اتفاق می افتد که نور به محیطی رقیق تر وارد شود . به همین دلیل است که ضریب شکست هسته از غلاف بیش تر می باشد تا پدیده بازتابش کلی رخ دهد.

اگر نور از محیط رقیق به غلیظ وارد شود بازتابش کلی نداریم زیرا:

Sin i *n1=sin r *n2

(r=90 ,sin r=1)

Sin i *n1=n2

Sin i =n2/n1 >1

می دانیم که سینوس یک زاویه هیچ گاه بیش تر از یک نمی شود.

(در این جا i=زاویه حد(تابش)،r=زاویه شکست،n=ضریب شکست مایع زقیق تر و n'=ضریب شکست مایع غلیظ تر .)

چگونگی ساخت فیبر نوری مایع

مابرای بررسی عوامل موثر بر کیفیت مغز رشته های فیبر نوری، یک مدل فیبر نوری مایع طراحی کردیم و بااستفاده از محلول آب شکر و محلول آب نمک عواملی مانند زاویه حد وتضعیف نور هنگام عبور ازرشته های نوری را مورد بررسی قرار دادیم.

با استفاده از نتایج بدست آمده وانتخاب مایع مناسب برای مغز، یک رشته فیبر نوری مایع ساختیم.

ساخت دستگاه

فتوسل را در مداری بستیم و یک آوومتر به مدار اضافه کردیم . فتوسل را زیر لوله استوانه ای قرار دادیم طوری که فاصله کف لوله شیشه ای و فتوسل بسیار کم باشد. میزان ولتاژ را روی 2.7 vتنظیم کردیم.

سپس برای اندازه گیری نور اولیه محیط بعد از روشن کردن منبع تغذیه در مدار عددی را که آمپر سنج نشان می داد یادداشت کردیم .

قبل از انجام آزمایش محیط را تا جای ممکن تاریک کردیم .

نوراولیه محیط = خطای آزمایش = 0.3 mA

آزمایش ها

الف)اندازه گیری زوایای حد برای مغز های مختلف

الف-1)آزمایش اندازه گیری زاویه حد برای آب نمک

ابتدا در بشر های جداگانه (500ml) به مقدار های 12.5gr 25gr و37.5gr نمک (NaCl) ریختیم .سپس درون هر بشر 500ml آب ریختیم و محلول درون بشرراهم زدیم تا نمک به خوبی حل شود .

پس از آن مقداری محلول 25gr NaCl/L را درون دستگاهی به شکل زیر ریختیم ( این دستگاه شامل نیم استوانه ای است که درون یک صفحه مدرج قرار گرفته.) و با تاباندن نور لیزر در سه زاویه ی مختلف به آن،زاویه شکست مربوط به هر زاویه را اندازه گیری کردیم.

سپس همین مرحله را برای محلول 50gr NaCl/L و 75gr NaCl/L انجام داده و اعداد را به طور جداگانه یادداشت کردیم.

الف-2) آزمایش اندازه گیری زاویه حد برای آب شکر

برای آب شکر نیز محلول هایی با غلظت 25gr/L 50gr/L و 75gr/L ساخته وبا تاباندن 3 زاویه ی تابش مختلف به آن زوایای شکست را اندازه گیری کردیم .

ب)اندازه گیری میزان شدت تضعیف نور در آب نمک

برای اندازه گیری شدت تضعیف نور در لوله خالی، نور لیزر را طوری به کف لوله شیشه ای خالی تاباندیم که کاملا به فتوسل برخورد کند.عددی را که اوومتر نشان داد یادداشت کردیم.

هر مایع را به طور جداگانه در دستگاه ریختیم تا ارتفاع مایع برابر 35 cm شود . سپس نور لیزر را طوری به کف لوله شیشه ای تاباندیم که کاملا به فتوسل برخورد کند.عددی را که اوومتر نشان می داد یادداشت کردیم.

یافته ها و نتیجه گیری

نتیجه گیری 1: بر طبق اعداد به دست آمده و شیب نمودار میتوان پی برد که آب نمک 75gr/L کمترین زاویه حد را دارد .

نتیجه گیری 2: بر طبق اعداد به دست آمده و شیب نمودار میتوان متوجه شد که آب شکر 75gr/L کمترین زاویه حد را در بین سایر محلول های آب شکر دارد .

نتیجه گیری کلی: آب نمک 75 گرم در لیتر دارای کمترین تضعیف نور وکمترین زاویه حد است.

بنابرین بهترین مایع برای ساخت مدل ما آب نمک با غلظت 75 گرم بر لیتر است .

چدول و نمودار روبرو میزان تضعیف نور را در آب نمک با علظت های متفاوت نشان می دهد. همان طور که مشاهده می شود آب نمک 75 گرم بر لیتر کنترین تضغیف را دارد.

منابع

• سایت ویکی پدیا
• کتاب فیزیک Holiday
• سایت رشد
• دایره المعارف آکسفورد

معلم راهنما

• سرکار خانم قاسمی

• سرکار خانم اسماعیلی

اعضای گروه

• ملیکا جامعی

• مانا جامعی

• سمن صابری

• یگانه جلیلی