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Réflexion, réfraction et perte d'intensité
Les lois de la réflexion et de la réfraction
Deux lois simples d’optique ont de nombreuses implications pour la conception de nos aquariums et de leur éclairage :
° Lorsqu’un rayon lumineux "incident" arrive à la surface d’un miroir sous un angle "i" (voir ci-dessous), il est réfléchi selon un angle identique (noté r sur la figure), selon un axe perpendiculaire au miroir. C’est cette propriété qui est exploitée notamment dans les réflecteurs des projecteurs HQI pour concentrer le rayonnement dans les limites du bac.
Photo Benoit Finet
° La surface de l’eau se comporte partiellement comme un miroir, et une partie du rayonnement lumineux est réfléchie suivant le principe évoqué ci-dessus. L’autre partie de ce rayonnement pénètre dans l’eau. Il est alors soumis à la réfraction : la lumière se propage en ligne droite dans un milieu homogène, mais sa trajectoire est déviée lorsque qu’elle traverse des milieux de nature différente.
La loi de Snell-Descartes indique que n sin (i) = n’ sin (i’) où n et n’ sont, respectivement, les indices de réfraction des milieux traversés, et i et i’ les angles du rayon lumineux incident et du rayon réfracté (voir figure ci-dessous)
Photo Benoit Finet
L’indice de réfraction de l’air est égal à 1,0002, et celui de l’eau 1,333. L’équation ci-dessus devient donc après simplification, 1*sin(i) = 1.3 sin (i’), ce qui en pratique signifie - sans avoir à rentrer dans des calculs compliqués -, qu’un rayon lumineux pénétrant dans l’eau voit sa trajectoire se rapprocher de la verticale.
L’indice de réfraction est déterminé en comparant la vitesse de la lumière dans le vide (c = 300000 km/s) et dans le milieu considéré (v) : n = c/v. Quelques exemples sont donnés ci-dessous.
° Air : 1,0002
° Eau : 1,333
° Verre (quartz) : 1.46
° Plexiglas : 1.51
Un brassage efficace provoque de nombreuses déformations de la surface de l’eau et multiplie les angles suivant lesquels la lumière pénètre dans l’eau. Il permet ainsi d’améliorer de manière significative l’efficacité de l’éclairage en jouant sur la réfraction.
Perte d’intensité
En première approximation, une source lumineuse, telle que celle des HQI, forme un cône de lumière (figure ci-dessous).
On constate dans ces conditions, que lorsque la distance à la source lumineuse est multipliée par 2, l’intensité lumineuse diminue de 75%.
Cette règle ne se vérifie qu'à la condition que la source lumineuse soit assimilable à un point, c'est à dire lorsque la distance de la source lumineuse à la surface éclairée est au moins égale à cinq fois le diamètre de la source (voir figure ci-dessus). Si c'est bien le cas pour les lampes à incandescence ou pour les ampoules HQI, ce n'est pas vrai pour les tubes fluorescents.
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