Эффект фарадея кратко и понятно
Обновлено: 04.07.2024
В 1845 году Майкл Фарадей обнаружил, что линейно поляризованный свет, распространяющийся вдоль постоянного магнитного поля в веществе, испытывает вращение плоскости поляризации. Это открытие стало первым доказательством прямой связи оптических и электромагнитных явлений. Сам Фарадей писал: "Мне удалось намагнитить и наэлектризовать луч света и осветить магнитную силовую линию".
Эффект Фарадея объясняется тем, что оптические свойства намагниченного вещества нельзя охарактеризовать одним показателем преломления n. Под действием магнитного поля показатели преломления n + и n - для циркулярно право- и левополяризованного света становятся различными. Вследствие этого право- и левополяризованные составляющие линейно поляризованного света распространяются вдоль магнитного поля через вещество с разными фазовыми скоростями. Возникает разность их хода, линейно зависящая от длины пути. В результате плоскость поляризации монохроматического света с длиной волны l, прошедшего в среде путь l, поворачивается на угол θ = pl(n + - n-)/l. В слабых магнитных полях разность (n + -n-) линейно зависит от напряженности поля H и угол фарадеевского вращения описывается формулой θ = VHl, где V (постоянная Верде) зависит от длины световой волны, свойств вещества и его температуры.
Наиболее сильное вращение плоскости поляризации наблюдается в очень тонких прозрачных слоях ферромагнетиков.
Эффект Фарадея (продольный электрооптический эффект Фарадея) — магнитооптический эффект, который заключается в том, что при распространении линейно поляризованного света через оптически неактивное вещество, находящееся в магнитном поле, наблюдается вращение плоскости поляризации света. Теоретически, эффект Фарадея может проявляться и в вакууме в магнитных полях порядка 10 11 —10 12 Гс. [1]
Содержание
Феноменологическое объяснение
Проходящее через изотропную среду линейно поляризованное излучение всегда может быть представлено как суперпозиция двух право- и левополяризованных волн с противоположным направлением вращения. Во внешнем магнитном поле показатели преломления для циркулярно право- и левополяризованного света становятся различными ( и ). Вследствие этого, при прохождении через среду (вдоль силовых линий магнитного поля) линейно поляризованного излучения его циркулярно лево- и правополяризованные составляющие распространяются с разными фазовыми скоростями, приобретая разность хода, линейно зависящую от оптической длины пути. В результате плоскость поляризации линейно поляризованного монохроматического света с длиной волны , прошедшего в среде путь , поворачивается на угол
.
В области не очень сильных магнитных полей разность линейно зависит от напряжённости магнитного поля и в общем виде угол фарадеевского вращения описывается соотношением
,
где — постоянная Верде, коэффициент пропорциональности, который зависит от свойств вещества, длины волны излучения и температуры.
Элементарное объяснение
Эффект Фарадея тесно связан с эффектом Зеемана, заключающимся в расщеплении уровней энергии атомов в магнитном поле. При этом переходы между расщеплёнными уровнями происходят с испусканием фотонов правой и левой поляризации, что приводит к различным показателям преломления и коэффициентам поглощения для волн различной поляризации. Грубо говоря, различие скоростей различно поляризованных волн обусловлено различием длин волн поглощаемого и переизлучаемого фотонов.
Строгое описание эффекта Фарадея проводится в рамках квантовой механики.
Применение эффекта
Используется в лазерных гироскопах и другой лазерной измерительной технике и в системах связи.
История
Данный эффект был обнаружен М. Фарадеем в 1845 году.
- толщине вещества
- составляющей магнитной силы параллельной лучу
- показателю преломления луча
- обратно пропорциональный квадрату длины волны в воздухе
- среднему радиусу магнитных вихрей
- емкости магнитной индукции (магнитной проницаемости)
Многие положения данной работы были впоследствии забыты или не поняты (например, Герцем), однако известные на сегодняшний день уравнения для электромагнитного поля выведены были Д. Максвеллом из логических посылок указанной теории.
Австрийский физик-теоретик Л. Больцман в примечаниях к работе Д. Максвелла отзывался следующим образом:
Я мог бы сказать, что последователи Максвелла в этих уравнениях, пожалуй, ничего кроме букв не переменили… Результаты переведенного здесь цикла работ, следовательно, должны быть причислены к важнейшим достижениям физической теории"
В физике , то эффект Фарадея описывает взаимодействие между светом и в магнитном поле в материале: при регистрации поляризации света поворачивается пропорциональна составляющей магнитного поля на направление распространения света.
Эффект Фарадея - это магнитооптический эффект, открытый Майклом Фарадеем в 1845 году . Он появляется в большинстве прозрачных диэлектрических материалов при воздействии магнитных полей. Это было первым доказательством связи между магнетизмом и светом: тот факт, что свет содержит магнитное поле, теперь является частью теории электромагнитного излучения , разработанной Джеймсом Клерком Максвеллом в 1860-х и 1870-х годах.
Эффект Фарадея является результатом ферромагнитного резонанса . Этот резонанс означает, что, разбивая поляризацию света на две круговые поляризации, вращающиеся в противоположных направлениях, эти два компонента распространяются с разными скоростями, тем самым давая материалу вращательную силу . Затем возникает фазовый сдвиг между этими двумя компонентами. Основное следствие состоит в том, что световой луч, входящий с прямолинейной поляризацией в рассматриваемую среду, выходит с другой ориентацией своей поляризации.
Некоторые измерительные приборы используют эффект Фарадея. Например, можно измерить оптическое вращение веществ, эффект модуляции амплитуды света или обнаружить магнитное поле.
Резюме
Постоянная Верде
Связь между магнитным полем B и углом поворота поляризации, полученная после пересечения расстояния d в веществе, определяется выражением: β
где - постоянная Верде рассматриваемого материала (в рад · Т -1 . м -1 ). Эта постоянная меняется в зависимости от длины волны света и температуры . V >>
Положительная постоянная Верде соответствует левому или левовращающему вращению , а отрицательная постоянная Верде соответствует правому или правовращающему вращению .
Некоторые материалы имеют очень высокую постоянную Верде (≈ -40 рад.Т -1 · м -1 ). Поместив образец этого материала в сильное магнитное поле, можно добиться вращения поляризации на 45 °. Это позволяет построить ротатор Фарадея .
Эффект Фарадея в межзвездных средах
Эффект Фарадея возникает при движении света в межзвездной среде к Земле . В отличие от эффекта Фарадея в твердых телах или жидкостях, здесь мы имеем простую зависимость от длины волны : λ
где постоянная зависит от магнитного поля B , пройденного расстояния d и плотности электронов следующим образом: α нет е >
е на заряд электрона , m масса электрона , и с на скорость света в вакууме.
Это вращение является важным инструментом в астрономии для измерения магнитных полей, которые можно оценить по этому вращению, когда известна плотность электронов. В случае пульсара , то дисперсия , вызванная этими электронами вызывает задержку между импульсами , которые он излучает в соответствии с их длиной волны. Затем измерения позволяют вернуться к среднему значению магнитного поля вдоль оси визирования.
На радиоволнах , проходящих через ионосферу Земли также подвержены эффекту Фарадея. Тогда это также пропорционально квадрату длины волны.
Мало кто задумывается о том, что практически всё производство электроэнергии и немалое количество электрических приборов основаны на явлении и законе электромагнитной индукции, открытых ещё в 1831 г. великим английским учёным Майклом Фарадеем. На этом же законе основаны электромагнитные измерительные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН), которые уже более ста лет используются в электроэнергетике и промышленности для измерения переменных токов и напряжений в высоковольтных сетях. Другое явление, открытое Фарадеем в 1845 г., - поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света в магнитном поле - ждало своего крупномасштабного технического применения больше полутора веков.
В СССР первые работы по созданию оптических датчиков тока на основе эффекта Фарадея проводились ещё в начале 1970-х годов. После появления лазеров и оптического волокна (ОВ) у учёных-исследователей родилась мысль применить ОВ в качестве чувствительного элемента датчиков тока, использующих эффект Фарадея. Однако в то время технологии ещё не созрели для создания надёжных промышленных образцов оптических трансформаторов тока.
В 1875 г. шотландский физик Джон Керр открыл (названный впоследствии его именем) эффект изменения показателя преломления оптического материала, находящегося в электрическом поле, пропорционально квадрату напряжённости этого поля (его также называют квадратичным электрооптическим эффектом). А в 1893 г. немецкий физик Фридрих Поккельс обнаружил и исследовал возникновение двойного лучепреломления в некоторых кристаллах (в частности, ниобата лития и арсенида галлия) под действием электрического поля. В отличие от эффекта Керра, здесь наблюдается не квадратичная, а линейная зависимость показателя преломления от напряжённости поля. Именно поэтому в оптических трансформаторах напряжения в большинстве случаев применяются датчики, основанные именно на эффекте Поккельса, а не Керра.
ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ И ЗАКОН ВЕРДЕ
Поляризованный свет можно получать разными способами. Например, пропуская неполяризованный свет через поляризаторы. А поворачивать плоскость поляризации света способны как оптически активные вещества (различные кристаллы, их расплавы и растворы), так и внешние поля, воздействующие на среду прохождения света. Именно к последним случаям относится эффект Фарадея - вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света, распространяющегося в среде вдоль постоянного магнитного поля. Отметим, что в вакууме такой эффект не возникает: магнитное поле влияет на свет опосредованно, через оптические характеристики среды.
Вращение плоскости поляризации монохроматического линейно поляризованного света, распространяющегося в изотропной немагнитной среде вдоль магнитного поля, подчиняется закону Верде:
Θ = V × l × H ,
где Θ - угол поворота (угол Фарадея); Н - магнитная напряжённость поля; l - длина пути светового луча в среде вдоль силовой линии магнитного поля; V - постоянная Верде (удельное магнитное вращение), зависящая от длины волны света (частоты колебаний), плотности среды и её температуры (для диамагнетиков эта зависимость очень слаба).
Для большинства сред V > 0, что означает правостороннее вращение. Знак угла поворота плоскости поляризации определяется только направлением магнитного поля и не зависит от направления распространения луча (по полю или против него).
Из закона Верде очевидным образом вытекает возможность применения эффекта Фарадея для бесконтактного измерения величины постоянного тока в токопроводе. Постоянный ток порождает вокруг токопровода постоянное магнитное поле, поместив в которое чувствительный элемент с линейно поляризованным светом, можно по углу поворота плоскости поляризации определить величину напряжённости магнитного поля, а по ней - и величину самого тока в токопроводе (рис. 1).
Сложнее обстоит дело с переменным током. Его магнитное поле каждые 10 мс (полупериод для промышленного тока с частотой 50 Гц) меняется как по величине, так и по направлению. Плоскость поляризации света в чувствительном элементе также поворачивается в разные стороны каждый полупериод. Поэтому для полного периода синусоидального тока (и кратных ему периодов) угол Фарадея оказывается равным нулю. Следовательно, измерять его необходимо раздельно для положительных и отрицательных полупериодов тока.
Главный чувствительный элемент любого оптического ТТ - оптическое волокно. Это тонкая стеклянная нить в защитной оболочке. Сердцевина оптоволокна выполнена из сверхчистого кварцевого стекла и окружена оболочкой из другого стекла или полимера с меньшим показателем преломления. Вследствие этого на поверхности раздела сердцевины и оболочки лучи света, падающие под определёнными углами, подвергаются полному внутреннему отражению. Благодаря этому свойству ОВ передаёт световые волны на большие расстояния с минимальными потерями энергии.
ОТ ЛУЧА - К ПОКАЗАНИЯМ
Типичная схема оптического ТТ содержит чувствительный элемент в виде нескольких витков ОВ, помещенных в жёсткую защитную оболочку из немагнитного материала - ячейку Фарадея - и электронно-оптический блок (ЭОБ). ЭОБ с помощью встроенного полупроводникового лазера и модулятора на оптическом выходе создаёт монохроматический линейно поляризованный световой сигнал, направляемый на чувствительный элемент по сохраняющему поляризацию оптоволокну. В чувствительном элементе плоскость поляризации сигнала под воздействием магнитного поля, созданного протекающим по шине током, поворачивается на угол Фарадея. С выхода чувствительного элемента световой сигнал поступает на оптический вход ЭОБ, где на фазовом детекторе из него формируется электрический измерительный сигнал. Далее этот сигнал через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) поступает в виде цифрового кода на дискретный интерфейсный выход ЭОБ и через цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) ‑ на усилитель, где формируются нормированные аналоговые выходные сигналы в виде напряжения или тока для выдачи на аналоговый интерфейс ЭОБ. Обычно используется не проходная схема измерения, а реверсивная, в которой световой сигнал отражается от зеркала, расположенного в конце измерительной петли, и возвращается обратно в ЭОБ по тому же пути, по которому он попал в ОВ.
Не вдаваясь в подробности, отметим, что в оптическом ТН на ячейку Поккельса поступает свет с круговой поляризацией, который на выходе приобретает эллиптическую поляризацию, обусловленную разницей в фазовых скоростях волн, имеющих взаимно ортогональные поляризации (рис. 2). Оптическая индикатриса (показатель оптических свойств кристаллов) поворачивается в кристалле на угол Δφ, зависящий от напряжённости электрического поля. Ячейка Поккельса содержит кристалл ортогерманата висмута (Bi4Ge3O12) или другого пьезоэлектрика. Чтобы обеспечить независимость результатов измерений от температуры, вибраций и колебаний интенсивности лазерного источника излучения, используется двухканальный метод (рис. 3). Кристаллы в ячейках Поккельса повёрнуты друг относительно друга на 90 °.
Хотя казалось, что свет и магнетизм не имеют ничего общего, на самом деле они взаимосвязаны. Всякий раз, когда мы до чего-нибудь дотрагиваемся, атомы наших пальцев вступают во взаимодействие с атомами этого предмета, электроны атомов нашей руки и предмета контактируют и взаимно отталкиваются из-за электромагнитной силы. Материя — практически пустота, но именно взаимное отталкивание электронов нашей руки и электронов предмета подсказывает, что пустоты не существует.
Фарадей был убежден, что каждый вид силы в мире может превращаться в другой: он доказал это, когда воздействовал электричеством на магнетизм. Теперь, после длительного отдыха, Фарадея соблазнял поиск нового решения задачи: достичь того, чтобы электричество вступило во взаимодействие со светом. Не впервые он задумывался над этим: с начала 1820-х годов ученый сделал несколько попыток, каждый раз безуспешных, но все же, вдохновляемый Джоном Гершелем и его опытами 1823 года, по-прежнему обдумывал возможности воздействия на свет электромагнитной спиралью.
В июне 1845 года на собрании Британской ассоциации содействия развитию науки Фарадей познакомился с молодым Уильямом Томсоном, который был большим поклонником его работ, а впоследствии стал великим теоретиком электричества в Англии, участвовал в создании кабеля, который должен был соединить Англию и Америку, но об этом мы уже говорили. Молодой 21-летний шотландец был очарован Фарадеем, они долго беседовали, а позднее начали переписываться: Томсон рассказывал о своих успехах, которые сопутствовали ему при разработке понятия силовых линий, введенных Фарадеем. В конце концов, эта переписка вдохновила Фарадея на возобновление поисков связи света и электричества.
Он сразу же провел серию экспериментов, которые, как это уже случалось в прошлом, не принесли желаемых результатов. Тогда ученый решил вместо электричества, воздействовавшего в качестве силы на свет, использовать магнетизм. Для обнаружения возможного эффекта Фарадей использовал стекло с высоким индексом рефракции — то самое, которое он сделал для Королевского общества между 1829 и 1820 годами, когда его учитель Дэви давал ему много мелких поручений, чтобы научный талант его подопечного не сиял так ярко. Стекло было изготовлено из боросиликата свинца, ученый разместил его между двумя полюсами электромагнита и пропустил через него поляризованный свет параллельно линиям, проходящим от полюса к полюсу. В результате Фарадей заметил, что поляризованный луч подвергается воздействию.
Фарадей держит в руках стеклянный брусок, использованный в 1845 году для доказательства воздействия магнетизма на свет в диэлектриках.
Работник Немецкого музея в Мюнхене залезает в клетку Фарадея, чтобы продемонстрировать ее работу.
Рисунок на основе заметок Фарадея, иллюстрирующий эксперимент с кюветой льда.
Рефракция — явление, состоящее в изменении направления света при прохождении через прозрачную среду, например через воздух или стекло. Это явление можно наблюдать, если мы опустим карандаш в стакан воды: кажется, что карандаш сломан у поверхности воды. Это связано с рефракцией, или преломлением, света при прохождении через воздух и воду. Отношение между скоростью света в вакууме и в определенной среде называется индексом рефракции, который определяется как частное между скоростью света в вакууме и скоростью света в данной среде: n = c/v.
С другой стороны, свет представляет собой волновое движение (взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля вибрируют также в направлении распространения волн, поэтому свет состоит из электромагнитных волн). Как правило, свет, испускаемый предметами, не поляризован, поскольку он идет в разных направлениях. Однако свет поляризуется при колебаниях электрического поля в одной плоскости.
Существуют различные способы получения поляризованного света. Один из них, названный поляризацией отражением, открыл в 1808 году Этьен Луи Малюс: он направил луч света на поверхность стекла под углом в 57?, отраженный луч поляризовался, потому что плоскость колебаний была перпендикулярна плоскости воздействия.
Таким же образом Фарадей открыл первый известный случай взаимодействия между магнетизмом и светом в 1845 году. Это отклонение плоскости поляризации света (определенной плоскостью колебаний электрического поля) — результат пересечения магнитным полем прозрачного материала, такого как стекло. Он известен как эффект Фарадея, или магнитооптический эффект, и наблюдается на многих твердых, жидких и газообразных предметах. Эффект возникал, только когда лучи света пересекались на протяжении линий электромагнитной индукции между полюсами.
Co времен Ньютона существовали две интерпретации природы света. Согласно первой, свет — это поток частиц; именно эту корпускулярную теорию защищал Ньютон. Вторая интерпретация утверждает, что свет — это волна; за ней стоял Христиан Гюйгенс (1629–1695). В конце концов, эксперименты Юнга и Френеля, а также других исследователей установили в начале XIX века волновой характер света. Следующим концептуальным шагом стало доказательство того, что свет является электромагнитной волной. Сам Фарадей доказал возможность взаимодействия света с электрическими и магнитными явлениями, указав на то, что статическое магнитное поле может изменять скорость распространения света на определенных материалах (знаменитый эффект Фарадея). Формулировка данного эффекта позволила Фарадею утверждать, что свет является электромагнитной волной. Это утверждение с одновременным отрицанием, по его мнению, устаревшей идеи об эфире — теории, согласно которой для перенесения световых волн требуется специальная среда флюида, эфир, — было опубликовано в 1846 году в знаменитых Вечерних лекциях по пятницам.
Теория Максвелла
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ АТОМАМИ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ АТОМАМИ По свежему следу предыдущего очерка воспользуемся моделью БНЛ для разговора о реальном взаимодействии между атомами, образующими кристалл.Нам уже известно, что взаимодействие, т. е. конкуренция сил притяжения и отталкивания между атомами,
Наперегонки со светом
34. Взаимодействие
34. Взаимодействие Механика учит, что одностороннего притяжения – и вообще одностороннего действия – быть не может: всякое действие есть взаимодействие. Значит, если наэлектризованная палочка притягивает разные предметы, то она и сама притягивается к ним. Чтобы
От силовых линий Фарадея до поля Максвелла
От силовых линий Фарадея до поля Максвелла Талантливому человеку сделать великое открытие иногда помогает даже недостаток образования. Сын кузнеца, ученик переплетчика, Фарадей был самоучкой, но своим интересом к науке и способностями обратил на себя внимание видного
1. Сильное взаимодействие:
1. Сильное взаимодействие: 1. Сильное взаимодействие: частицы, появляющиеся в соответствии с законами квантования ряда полей, называются кварками. Сегодня известно шесть кварков (и связанных с ними антикварков), входящих в три семейства [или поколения], как показано на
2. Электрослабое взаимодействие:
2. Электрослабое взаимодействие: 2. Электрослабое взаимодействие: частицы, появляющиеся в соответствии с законами квантования ряда полей, называются лептонами. Существует шесть лептонов (и связанных с ними антилептонов), входящих в три семейства, как показано на рис. 2.4.
Глава четвертая Опыты со светом
Глава четвертая Опыты со светом Солнечные часы. Попробуйте проследить за своей тенью на открытом воздухе в различные часы дня и разные времена года. Тень не остается неподвижной, она как будто ползет вокруг нас. Утром она падает по направлению к западу, в полдень — к
СЕКРЕТЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО УСПЕХА ФАРАДЕЯ
СЕКРЕТЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО УСПЕХА ФАРАДЕЯ Среди характерных черт Фарадея (например, способность к самообучению и влияние религии на мышление) нужно подчеркнуть и его приверженность в исследованиях некоторым интеллектуальным установкам, которые помогли ему добиться
ПЕРЕВОД ИДЕЙ ФАРАДЕЯ НА МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ЯЗЫК
ПЕРЕВОД ИДЕЙ ФАРАДЕЯ НА МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ЯЗЫК Электричество не могло быть жидкостью, проходящей по проводу, оно должно было генерироваться невидимой силой, как и линии магнитного поля, однако в данном случае линии шли от одного заряда к другому. Это невидимое поле, по
ГЛАВА 4. Взаимодействие между материей, электричеством и светом
ГЛАВА 4. Взаимодействие между материей, электричеством и светом Теоретические отголоски открытий Фарадея достигли ученых следующих поколений, таких как Максвелл и Эйнштейн. Они приняли эстафету из рук сандеманианца, чтобы сформулировать теории, с большей точностью
КЛЕТКА ФАРАДЕЯ И ДИЭЛЕКТРИКИ
КЛЕТКА ФАРАДЕЯ И ДИЭЛЕКТРИКИ Если бы мы могли перенестись в Королевский институт в конце 1835 года, мы бы увидели Фарадея, погруженного в конструирование необычного гигантского приспособления. Оно было настолько огромным, что его пришлось переместить в лекционный зал
НАСЛЕДИЕ ФАРАДЕЯ
НАСЛЕДИЕ ФАРАДЕЯ Глубокая духовность и способность к самообразованию подталкивали Фарадея к неутомимым поискам взаимосвязи между движением, магнетизмом и электричеством, как будто между частями Троицы — отдельными, но неразделимыми. Благодаря этой концепции
Читайте также: