Номер 5, страница 103 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

5. В чем преимущество оптоволоконной технологии при передаче световых сигналов?

Оптоволоконная технология использует для передачи информации световые сигналы, которые распространяются по тонким стеклянным или пластиковым волокнам. Основное преимущество этой технологии при передаче световых сигналов заключается в явлении полного внутреннего отражения.

Оптическое волокно состоит из двух основных частей:
- Сердцевина (core): центральная часть волокна, по которой непосредственно распространяется свет.
- Оболочка (cladding): слой материала, окружающий сердцевину.
Ключевым моментом является то, что показатель преломления сердцевины ($n_1$) немного больше показателя преломления оболочки ($n_2$), то есть $n_1 > n_2$.

Когда световой луч, идущий внутри сердцевины, достигает границы с оболочкой под достаточно малым углом к оси волокна (что эквивалентно большому углу падения на границу раздела), он не преломляется и не выходит наружу, а полностью отражается обратно в сердцевину. Это явление называется полным внутренним отражением. Оно происходит, когда угол падения $\theta$ (угол между лучом и нормалью к границе) превышает так называемый критический угол $\theta_c$, который определяется соотношением: $\sin\theta_c = \frac{n_2}{n_1}$.

Благодаря многократным актам полного внутреннего отражения, световой сигнал оказывается "запертым" внутри сердцевины и может распространяться по ней на огромные расстояния, повторяя все изгибы волокна, с очень малыми потерями. Именно эта способность эффективно направлять свет и является главным физическим преимуществом оптоволоконной технологии для передачи световых сигналов.

Из этого основного принципа вытекают многочисленные практические преимущества оптоволоконных линий связи по сравнению с традиционными, например, медными кабелями:
1. Высокая пропускная способность: Частота световых волн на порядки выше частоты электрических сигналов. Это позволяет передавать по одному волокну огромные объемы информации, измеряемые десятками и сотнями терабит в секунду.
2. Низкое затухание сигнала: В современных оптоволоконных кабелях затухание сигнала составляет около $0.2$ дБ/км. Это позволяет передавать сигнал на десятки и даже сотни километров без необходимости в ретрансляторах (усилителях). У медных кабелей затухание значительно выше.
3. Помехозащищенность: Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала (стекла), а переносчиком информации является свет, оптоволоконные линии полностью невосприимчивы к электромагнитным помехам от линий электропередач, электродвигателей и других источников.
4. Информационная безопасность: К оптоволоконному кабелю практически невозможно подключиться незаметно. Любая попытка несанкционированного съема информации потребует нарушения целостности волокна, что приведет к заметному изменению сигнала и будет легко обнаружено.
5. Малые габариты и вес: Оптоволоконный кабель значительно тоньше и легче медного кабеля с аналогичной пропускной способностью, что упрощает монтаж и экономит место.
6. Электрическая изоляция: Оптоволокно является диэлектриком, что исключает проблемы с разностью потенциалов земли и обеспечивает полную гальваническую развязку между оборудованием.

Ответ: Главное преимущество оптоволоконной технологии при передаче световых сигналов заключается в использовании явления полного внутреннего отражения. Это явление позволяет эффективно "запирать" свет внутри оптического волокна и направлять его на большие расстояния с минимальными потерями. Это, в свою очередь, обеспечивает ключевые практические достоинства: высокую пропускную способность, низкое затухание, помехозащищенность и безопасность передачи данных.