Использование эффект фарадея. Эффект фарадея и его использование Практические применения эффекта Фарадея

Данный эффект был обнаружен М. Фарадеем в 1845 году .

Первоначальное объяснение эффекта Фарадея дал Д. Максвелл в своей работе «Избранные сочинения по теории электромагнитного поля», где он рассматривает вращательную природу магнетизма . Опираясь в том числе на работы Кельвина , который подчеркивал, что причиной магнитного действия на свет должно быть реальное(а не воображаемое) вращение в магнитном поле, Максвелл рассматривает намагниченную среду как совокупность «молекулярных магнитных вихрей». Теория, считающая электрические токи линейными, а магнитные силы вращательными явлениями, согласуется в этом смысле с теориями Ампера и Вебера . Исследование, проведённое Д. К. Максвеллом, приводит к заключению, что единственное действие, которое вращение вихрей оказывает на свет, состоит в том, что плоскость поляризации начинает вращаться в том же направлении, что и вихри, на угол, пропорциональный:

• толщине вещества,
• составляющей магнитной силы, параллельной лучу,
• показателю преломления луча,
• обратно пропорциональный квадрату длины волны в воздухе,
• среднему радиусу магнитных вихрей,
• ёмкости магнитной индукции (магнитной проницаемости).

Все положения «теории молекулярных вихрей» Д. Максвелл доказывает математически строго, подразумевая, что все явления природы в глубинной сути своей аналогичны и действуют похожим образом.

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"

См. также

• Магнитооптические эффекты

Напишите отзыв о статье "Эффект Фарадея"

Примечания

Источник

• . Физическая энциклопедия. т.5. стр. 275

Отрывок, характеризующий Эффект Фарадея

Страшный вид поля сражения, покрытого трупами и ранеными, в соединении с тяжестью головы и с известиями об убитых и раненых двадцати знакомых генералах и с сознанием бессильности своей прежде сильной руки произвели неожиданное впечатление на Наполеона, который обыкновенно любил рассматривать убитых и раненых, испытывая тем свою душевную силу (как он думал). В этот день ужасный вид поля сражения победил ту душевную силу, в которой он полагал свою заслугу и величие. Он поспешно уехал с поля сражения и возвратился к Шевардинскому кургану. Желтый, опухлый, тяжелый, с мутными глазами, красным носом и охриплым голосом, он сидел на складном стуле, невольно прислушиваясь к звукам пальбы и не поднимая глаз. Он с болезненной тоской ожидал конца того дела, которого он считал себя причиной, но которого он не мог остановить. Личное человеческое чувство на короткое мгновение взяло верх над тем искусственным призраком жизни, которому он служил так долго. Он на себя переносил те страдания и ту смерть, которые он видел на поле сражения. Тяжесть головы и груди напоминала ему о возможности и для себя страданий и смерти. Он в эту минуту не хотел для себя ни Москвы, ни победы, ни славы. (Какой нужно было ему еще славы?) Одно, чего он желал теперь, – отдыха, спокойствия и свободы. Но когда он был на Семеновской высоте, начальник артиллерии предложил ему выставить несколько батарей на эти высоты, для того чтобы усилить огонь по столпившимся перед Князьковым русским войскам. Наполеон согласился и приказал привезти ему известие о том, какое действие произведут эти батареи.
Адъютант приехал сказать, что по приказанию императора двести орудий направлены на русских, но что русские все так же стоят.
– Наш огонь рядами вырывает их, а они стоят, – сказал адъютант.
– Ils en veulent encore!.. [Им еще хочется!..] – сказал Наполеон охриплым голосом.
– Sire? [Государь?] – повторил не расслушавший адъютант.
– Ils en veulent encore, – нахмурившись, прохрипел Наполеон осиплым голосом, – donnez leur en. [Еще хочется, ну и задайте им.]
И без его приказания делалось то, чего он хотел, и он распорядился только потому, что думал, что от него ждали приказания. И он опять перенесся в свой прежний искусственный мир призраков какого то величия, и опять (как та лошадь, ходящая на покатом колесе привода, воображает себе, что она что то делает для себя) он покорно стал исполнять ту жестокую, печальную и тяжелую, нечеловеческую роль, которая ему была предназначена.
И не на один только этот час и день были помрачены ум и совесть этого человека, тяжеле всех других участников этого дела носившего на себе всю тяжесть совершавшегося; но и никогда, до конца жизни, не мог понимать он ни добра, ни красоты, ни истины, ни значения своих поступков, которые были слишком противоположны добру и правде, слишком далеки от всего человеческого, для того чтобы он мог понимать их значение. Он не мог отречься от своих поступков, восхваляемых половиной света, и потому должен был отречься от правды и добра и всего человеческого.
Не в один только этот день, объезжая поле сражения, уложенное мертвыми и изувеченными людьми (как он думал, по его воле), он, глядя на этих людей, считал, сколько приходится русских на одного француза, и, обманывая себя, находил причины радоваться, что на одного француза приходилось пять русских. Не в один только этот день он писал в письме в Париж, что le champ de bataille a ete superbe [поле сражения было великолепно], потому что на нем было пятьдесят тысяч трупов; но и на острове Св. Елены, в тиши уединения, где он говорил, что он намерен был посвятить свои досуги изложению великих дел, которые он сделал, он писал:
«La guerre de Russie eut du etre la plus populaire des temps modernes: c"etait celle du bon sens et des vrais interets, celle du repos et de la securite de tous; elle etait purement pacifique et conservatrice.
C"etait pour la grande cause, la fin des hasards elle commencement de la securite. Un nouvel horizon, de nouveaux travaux allaient se derouler, tout plein du bien etre et de la prosperite de tous. Le systeme europeen se trouvait fonde; il n"etait plus question que de l"organiser.
Satisfait sur ces grands points et tranquille partout, j"aurais eu aussi mon congres et ma sainte alliance. Ce sont des idees qu"on m"a volees. Dans cette reunion de grands souverains, nous eussions traites de nos interets en famille et compte de clerc a maitre avec les peuples.
L"Europe n"eut bientot fait de la sorte veritablement qu"un meme peuple, et chacun, en voyageant partout, se fut trouve toujours dans la patrie commune. Il eut demande toutes les rivieres navigables pour tous, la communaute des mers, et que les grandes armees permanentes fussent reduites desormais a la seule garde des souverains.

Вещества, помещенные во внешнее магнитное поле, становятся анизотропными. При распространении света вдоль направления магнитного поля анизотропия является циркулярной. Она проявляется во вращении азимута линейной поляризации на угол φ , зависящий от напряженности магнитного поля Н и расстояния l , которое свет проходит в магнитном поле,

где V - постоянная Вердé, характеризующая магнитооптические свойства вещества.

Эффект вращения азимута поляризации при распространении света вдоль направления магнитного поля называется эффектом Фарадея. Отметим здесь важное отличие естественного вращения азимута поляризации в оптически активных веществах и эффекта Фарадея. В первом случае направление вращения определяется исключительно направлением распространения света, например, по часовой стрелке. Поэтому если свет, прошедший оптически активное вещество, отразить в зеркале, то, вернувшись в исходную точку, он восстановит направление колебаний электрического вектора.

В случае эффекта Фарадея направление вращения азимута поляризации определяется вектором магнитной индукции независимо от того, куда распространяется свет: по полю или против поля. Если в этом случае отразить свет от зеркала и пустить его обратно, то угол поворота в исходном положении удвоится.

Эффект Фарадея позволяет наблюдать магнитные домéны в прозрачных ферромагнитных материалах. Для этой цели воспользуемся кристаллами феррита-граната (ортоалюмината гадолиния), который, с одной стороны, является диэлектриком, прозрачным в видимой области спектра, с другой стороны, обладает ярко выраженными ферромагнитными свойствами. Образец имеет вид тонкой пластины (0,5 х 5 х 5 мм), в которой магнитные домены образуют лабиринт областей с двумя противоположными направлениями спонтанной намагниченности. В целом образец не намагничен, так как объемы доменов, намагниченных «вверх» и «вниз» равны (рис. 5.15).

Поместим этот образец на предметный столик микроскопа и осветим его линейно поляризованным светом (рис. 8.71). После прохождения образца поляризация света уже не будет однородной, одинаковой во всех точках поперечного сечения пучка. Поляризация света, прошедшего одни домены, повернется на какой-то небольшой угол в одном направлении, а поляризация света, прошедшего другие домены – на такой же угол в другом направлении. Если теперь перед окуляром микроскопа поместить анализатор, то, вращая его, можно одни домены сделать темными, а другие – светлыми (рис. 8.72а). Повернув анализатор еще дальше, можно, наоборот, первые домены сделать светлыми, а другие – темными (рис. 8.72б).

а	б
в	г

Рис. 8.72. Магнитные домены на экране монитора.

Если поместить образец в продольное магнитное поле (для этого используется небольшая катушка с током), то произойдет намагничение феррита-граната, при этом одни домены уменьшатся в размерах, а другие – увеличатся (рис. 8.72в). В этом частично намагниченном состоянии особенно наглядно продемонстрировать затемнение одних доменов и просветление других при повороте анализатора). При дальнейшем увеличении магнитного поля можно добиться полной намагниченности образца (рис. 8.72г). Выключение магнитного поля возвращает образец в исходное, ненамагниченное состояние. Остаточная намагниченность у этого мягкого ферромагнетика отсутствует.

С помощью импульсного магнитного поля можно попытаться перейти от полосовых к цилиндрическим магнитным доменам, которые имеют вид точек при наблюдении между скрещенными поляризаторами. Именно эти домены представляют большой интерес для создания электронных систем обработки информации.

Линейно поляризованного света. распространяющегося в в-ве вдоль постоянного магн. поля, в к-ром находится в-во.

Под влиянием магн. поля заряженные частицы в-ва приобретают вращат. движение в плоскости, перпендикулярной направлению поля. У в-ва появляется наведенный магн. момент. Поскольку электрич. и магн. индукции в в-ве зависят от наличия магн. момента и магн. поляризации среды под влиянием поля, то эта зависимость проявляется в том, что у световой монохроматич. волны, распространяющейся в направлении поля и поляризованной по кругу, возникает сдвиг фазы, причем знак сдвига зависит от направления круговой поляризации . В результате для любой волны, представляющей собой суперпозицию двух компонент - волн, поляризованных по кругу в противоположных направлениях,- меняется соотношение фаз компонент. В частности, линейно поляризованный свет, представляющий собой линейную комбинацию с равными весами лево- и правополяризованных по кругу волн, переходит вновь в линейно поляризованный, но с повернутой (на угол a) относительно направления распространения волны плоскостью поляризации . Такое изменение фаз эквивалентно различию показателей преломления в-ва (или, что то же, скорости распространения световой волны) для лево- и правополяризованных волн.

В области не очень сильных магн. полей угол вращения a плоскости поляризации определяется ф-лой:

a = V(w,T)·l·B,

где V(w,T) -постоянная Верде, зависящая от св-в в-ва, частоты w монохроматич. излучения и т-рыT; l - оптич. длина пути, напр., длина кюветы, в к-рой находится в-во; В -магн. индукция постоянного магн. поля. Для р-ра концентрации с величину l надо заменить на сl. Постоянная Верде V M для моля в-ва определяет молярное вращение чистого в-ва: V M = VM/r (M - молярная масса, r - плотн. в-ва) или молярное вращение в-ва в р-ре: V M = V/c.

Знак угла вращения (X принимается положительным для вращения плоскости поляризации по часовой стрелке, если распространение света совпадает с направлением магн. поля и наблюдатель смотрит на источник света. Такой выбор знаков распространен в химии ; в физике обычно принят обратный выбор знаков. По численному значению постоянные Верде, как правило, очень малы: сотые доли угловых минут. Для ряда парамагн. в-в они составляют десятые доли минуты. Наиб. значения, достигающие десятков минут, постоянные Верде имеют для ферромагн. в-в.

При частоте D-линии натрия (w ~ 17000 см -1) для большинства в-в постоянные Верде отрицательны и лишь нек-рые парамагн. в-ва (напр., соли железа) вращают плоскость поляризации в положит, направлении. При обратном прохождении луча света его плоскость поляризации вращается в противоположную сторону по отношению к этому лучу, тогда как по отношению к направлению поля B - в том же направлении, что и при прямом прохождении. Это позволяет использовать многократное прохождение луча для накопления угла поворота a.

Зависимость угла поворота a от частоты наз. дисперсией магн. оптич. вращения: a= a(w ). Дисперсия сильно зависит от структуры энергетич. спектра молекулы , в частности от того, как проявляется Зеемана эффект у вырожденных в отсутствие магн. поля энергетич. уровней. Переходы между зеемановскими подуровнями, расщепленными в при-сут. поля, из-за Фарадея эффекта оказываются поляризованными, что в свою очередь сказывается на форме кривых дисперсии магн. оптич. вращения. С этими же причинами - поляризацией переходов - связан и магн. круговой дихроизм , определяемый разностью молярных коэф. поглощения лево-и правополяризованного по кругу света: D e (w ) = e Л (w ) - e П (w ).

В химии часто используют эмпирич. соотношения, связывающие постоянные Верде с хим. строением молекул , напр, в гомологич. рядах применяют аддитивность величин V M по структурным фрагментам

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 .

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 ( n + {\displaystyle n_{+}} и n − {\displaystyle n_{-}} ). 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 λ {\displaystyle \lambda } , прошедшего в среде путь l {\displaystyle l} , поворачивается на угол

В области не очень сильных магнитных полей разность n + − n − {\displaystyle n_{+}-n_{-}} линейно зависит от напряжённости магнитного поля и в общем виде угол фарадеевского вращения описывается соотношением

где ν {\displaystyle \nu } - 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, лазерной измерительной технике, лазерных передатчиках в системах связи как элемент защитного оптического изолятора . Кроме того, эффект применяется при создании ферритовых СВЧ-устройств. В частности, эффект Фарадея лежит в основе работы циркуляторов СВЧ- и оптического диапазона.

История

Данный эффект был обнаружен М. Фарадеем в 1845 году .

Первоначальное объяснение эффекта Фарадея дал Д. Максвелл в своей работе «Избранные сочинения по теории электромагнитного поля», где он рассматривает вращательную природу магнетизма . Опираясь в том числе на работы Кельвина , который подчеркивал, что причиной магнитного действия на свет должно быть реальное(а не воображаемое) вращение в магнитном поле, Максвелл рассматривает намагниченную среду как совокупность «молекулярных магнитных вихрей». Теория, считающая электрические токи линейными, а магнитные силы вращательными явлениями, согласуется в этом смысле с теориями Ампера и Вебера . Исследование, проведённое Д. К. Максвеллом, приводит к заключению, что единственное действие, которое вращение вихрей оказывает на свет, состоит в том, что плоскость поляризации начинает вращаться в том же направлении, что и вихри, на угол, пропорциональный:

• толщине вещества,
• составляющей магнитной силы, параллельной лучу,
• показателю преломления луча,
• обратно пропорциональный квадрату длины волны в воздухе,
• среднему радиусу магнитных вихрей,
• ёмкости магнитной индукции (магнитной проницаемости).

Все положения «теории молекулярных вихрей» Д. Максвелл доказывает математически строго, подразумевая, что все явления природы в глубинной сути своей аналогичны и действуют похожим образом.

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.