باستخدام تأثير فاراداي. تأثير فاراداي واستخداماته تطبيقات عملية لتأثير فاراداي

تم اكتشاف هذا التأثير بواسطة م. فاراداي في عام 1845.

التفسير الأولي لتأثير فاراداي قدمه د. ماكسويل في عمله "أعمال مختارة حول نظرية المجال الكهرومغناطيسي"، حيث تناول الطبيعة الدورانية للمغناطيسية. واستنادًا، من بين أمور أخرى، إلى أعمال كلفن، الذي أكد على أن سبب التأثير المغناطيسي على الضوء يجب أن يكون دورانًا حقيقيًا (وليس خياليًا) في المجال المغناطيسي، يعتبر ماكسويل الوسط الممغنط بمثابة مجموعة من "الدوامات المغناطيسية الجزيئية" ". النظرية التي تعتبر التيارات الكهربائية خطية والقوى المغناطيسية ظواهر دورانية، تتفق بهذا المعنى مع نظريتي أمبير وويبر. يؤدي البحث الذي أجراه دي سي ماكسويل إلى استنتاج مفاده أن التأثير الوحيد لدوران الدوامات على الضوء هو أن مستوى الاستقطاب يبدأ في الدوران في نفس اتجاه الدوامات، بزاوية تتناسب مع:

• سمك المادة
• مكون القوة المغناطيسية الموازية للشعاع،
• معامل الانكسار للشعاع،
• يتناسب عكسيا مع مربع الطول الموجي في الهواء
• متوسط ​​نصف قطر الدوامات المغناطيسية،
• سعة الحث المغناطيسي (النفاذية المغناطيسية).

يثبت د. ماكسويل جميع أحكام "نظرية الدوامات الجزيئية" رياضيًا بشكل صارم، مما يعني أن جميع الظواهر الطبيعية متشابهة بشكل أساسي وتتصرف بطريقة مماثلة.

تم نسيان أو عدم فهم العديد من أحكام هذا العمل لاحقًا (على سبيل المثال، بواسطة هيرتز)، لكن المعادلات المعروفة اليوم للمجال الكهرومغناطيسي استمدها د. ماكسويل من الأسس المنطقية لهذه النظرية.

أجاب عالم الفيزياء النظرية النمساوي L. Boltzmann، في الملاحظات على عمل D. Maxwell، على النحو التالي:

أستطيع أن أقول إن أتباع ماكسويل ربما لم يغيروا أي شيء في هذه المعادلات باستثناء الحروف... وبالتالي فإن نتائج سلسلة الأعمال المترجمة هنا يجب أن تصنف ضمن أهم إنجازات النظرية الفيزيائية.

أنظر أيضا

• التأثيرات المغناطيسية الضوئية

اكتب مراجعة عن مقال "تأثير فاراداي"

ملحوظات

مصدر

• . الموسوعة الفيزيائية. v.5. الصفحة 275

مقتطف يصف تأثير فاراداي

إن المنظر الرهيب لساحة المعركة، المغطاة بالجثث والجرحى، جنبًا إلى جنب مع ثقل الرأس وأخبار مقتل وجرح عشرين جنرالًا مألوفًا ومع الوعي بعجز يده القوية سابقًا، ترك انطباعًا غير متوقع على نابليون، الذي كان يحب عادة أن ينظر إلى القتلى والجرحى، وبذلك يختبر قوته الروحية (كما كان يعتقد). في مثل هذا اليوم، هزم المنظر الرهيب لساحة المعركة القوة الروحية التي آمن بها جدارته وعظمته. غادر ساحة المعركة على عجل وعاد إلى تل شيفاردينسكي. أصفر اللون، منتفخ، ثقيل، ذو عيون باهتة وأنف أحمر وصوت أجش، جلس على كرسي قابل للطي، يستمع لا إراديًا إلى أصوات إطلاق النار ولا يرفع عينيه. كان ينتظر بحزن مؤلم نهاية الأمر الذي اعتبر نفسه هو السبب فيه، لكنه لم يستطع إيقافه. كان للشعور الإنساني الشخصي للحظة قصيرة الأسبقية على شبح الحياة الاصطناعي الذي خدمه لفترة طويلة. لقد تحمل المعاناة والموت الذي رآه في ساحة المعركة. ذكّره ثقل رأسه وصدره بإمكانية معاناة نفسه وموته. في تلك اللحظة لم يكن يريد موسكو أو النصر أو المجد لنفسه. (ما هو المجد الذي كان يحتاجه أكثر من ذلك؟) الشيء الوحيد الذي يريده الآن هو الراحة والسلام والحرية. لكن عندما كان في مرتفعات سيمينوفسكايا، اقترح قائد المدفعية أن يضع عدة بطاريات على هذه المرتفعات من أجل تكثيف النار على القوات الروسية المتجمعة أمام كنيازكوف. وافق نابليون وأمر بإبلاغه بالأخبار حول التأثير الذي ستنتجه هذه البطاريات.
جاء المساعد ليقول إنه بأمر من الإمبراطور، تم توجيه مائتي بندقية نحو الروس، لكن الروس ما زالوا واقفين هناك.
قال المساعد: "نيراننا تُخرجهم في صفوف، لكنهم واقفون".
قال نابليون بصوت أجش: "Ils en veulent encore!.. [ما زالوا يريدون ذلك!.]".
- سيدي؟ [السيادي؟] - كرر المساعد الذي لم يستمع.
"Ils en veulent encore،" نعيق نابليون، عابسًا، بصوت أجش، "donnez leur en". [لا تزال تريد ذلك، فاسألهم.]
وبغير أمره تم ما أراد، وما أعطى الأوامر إلا لأنه ظن أن الأوامر منتظرة منه. وتم نقله مرة أخرى إلى عالمه الاصطناعي السابق من الأشباح من نوع ما من العظمة، ومرة ​​أخرى (مثل هذا الحصان الذي يمشي على عجلة قيادة مائلة يتخيل أنه يفعل شيئًا لنفسه) بدأ بطاعة في أداء تلك القسوة والحزينة والصعبة ، الدور غير الإنساني الذي كان مخصصًا له.
ولم يكن فقط في هذه الساعة وهذا اليوم أن عقل وضمير هذا الرجل، الذي تحمل العبء الأكبر مما كان يحدث أكثر من جميع المشاركين الآخرين في هذا الأمر، كان مظلمًا؛ لكنه لم يتمكن أبدًا، حتى نهاية حياته، من فهم الخير أو الجمال أو الحقيقة أو معنى أفعاله، التي كانت مناقضة جدًا للخير والحقيقة، وبعيدة جدًا عن كل شيء بشري حتى يتمكن من فهم معناها. لم يستطع أن يتخلى عن أفعاله التي أشاد بها نصف العالم، وبالتالي كان عليه أن يتخلى عن الحقيقة والخير وكل شيء بشري.
ليس فقط في هذا اليوم، وهو يقود سيارته حول ساحة المعركة، مليئة بالقتلى والمشوهين (كما كان يعتقد، بإرادته)، فهو، بالنظر إلى هؤلاء الأشخاص، أحصى عدد الروس هناك لفرنسي واحد، وخداع نفسه، وجد من الأسباب التي تجعلنا نبتهج أنه مقابل كل فرنسي هناك خمسة روس. لم يكتب في هذا اليوم فقط في رسالة إلى باريس أن le champ de bataille a ete superbe [كانت ساحة المعركة رائعة] لأنه كان هناك خمسون ألف جثة عليها؛ ولكن أيضًا في جزيرة سانت هيلانة، في هدوء العزلة، حيث قال إنه ينوي تكريس وقت فراغه لعرض الأعمال العظيمة التي قام بها، كتب:
"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 "هذه حالة من أجل القضية الكبرى، نهاية المخاطر هي بداية الأمن. أفق جديد، ستنتهي الأعمال الجديدة، كل شيء على ما يرام وازدهار الجميع. النظام الأوروبي سيجد نفسه؛ il n "etait plus question que de l"المنظم.
Satisfait sur ces grands Points et الهادئة Partout، j "aurais eu aussi mon congress et ma sainte Alliance. Ce sont des idees qu"on m"a volees. في هذا اللقاء الكبير من ذوي السيادة، لدينا فوائد من مصالحنا في العائلة والحساب de clerc a maitre avec les peuples.
لا يمكن لأوروبا أن تفعل شيئًا حقيقيًا حيث أن شعبًا واحدًا، وشخصًا، مسافرًا، سيجدون دائمًا في الوطن المجتمعي. إن الجيوش الدائمة الكبيرة تعمل على تقليص حجمها إلى حدود حماية السيادة وحدها.

المواد الموضوعة في مجال مغناطيسي خارجي تصبح متباينة الخواص. عندما ينتشر الضوء على طول اتجاه المجال المغناطيسي، يكون التباين دائريًا. يتجلى في دوران سمت الاستقطاب الخطي بزاوية φ ، اعتمادا على قوة المجال المغناطيسي نوالمسافات ل، الذي ينتقل الضوء في المجال المغناطيسي،

أين الخامس- ثابت Verdet، الذي يميز الخواص المغناطيسية الضوئية للمادة.

ويسمى تأثير دوران سمت الاستقطاب مع انتشار الضوء على طول اتجاه المجال المغناطيسي بتأثير فاراداي. ولنلاحظ هنا الفرق المهم بين الدوران الطبيعي لسمت الاستقطاب في المواد الفعالة بصريا وتأثير فاراداي. في الحالة الأولى، يتم تحديد اتجاه الدوران فقط من خلال اتجاه انتشار الضوء، على سبيل المثال، في اتجاه عقارب الساعة. لذلك، إذا انعكس الضوء الذي مر عبر مادة فعالة بصريا في المرآة، فعند العودة إلى نقطة البداية، فإنه سيستعيد اتجاه تذبذبات المتجه الكهربائي.

في حالة تأثير فاراداي، يتم تحديد اتجاه دوران سمت الاستقطاب بواسطة ناقل الحث المغناطيسي، بغض النظر عما إذا كان الضوء ينتشر على طول المجال أو ضده. إذا كان في هذه الحالة ينعكس الضوء من المرآة ويعاد، فإن زاوية الدوران في الموضع الأصلي سوف تتضاعف.

يسمح تأثير فاراداي للمرء بمراقبة المجالات المغناطيسية في المواد المغناطيسية الحديدية الشفافة. لهذا الغرض، سوف نستخدم بلورات العقيق الفريت (الجادولينيوم أورثوالومينات)، والتي، من ناحية، هي عازلة، وشفافة في المنطقة المرئية من الطيف، ومن ناحية أخرى، وضوحا الخصائص المغناطيسية. تكون العينة على شكل صفيحة رقيقة (0.5 × 5 × 5 مم)، حيث تشكل المجالات المغناطيسية متاهة من المناطق ذات اتجاهين متعاكسين للمغنطة التلقائية. بشكل عام، العينة ليست ممغنطة، لأن أحجام المجالات الممغنطة "لأعلى" و"لأسفل" متساوية (الشكل 5.15).

لنضع هذه العينة على منصة المجهر ونضيءها بالضوء المستقطب خطيًا (الشكل 8.71). بعد المرور عبر العينة، لن يكون استقطاب الضوء منتظمًا، كما هو الحال في جميع نقاط المقطع العرضي للحزمة. إن استقطاب الضوء الذي يمر عبر مجالات أخرى سوف يدور بزاوية صغيرة في اتجاه واحد، واستقطاب الضوء الذي يمر عبر مجالات أخرى سوف يدور بنفس الزاوية في الاتجاه الآخر. إذا قمت الآن بوضع محلل أمام عدسة المجهر، فمن خلال تدويره، يمكنك جعل بعض المجالات مظلمة والبعض الآخر فاتحًا (الشكل 8.72 أ). من خلال تحويل المحلل إلى أبعد من ذلك، يمكنك، على العكس من ذلك، جعل المجالات الأولى مضيئة والأخرى مظلمة (الشكل 8.72ب).

أ	ب
الخامس	ز

أرز. 8.72. المجالات المغناطيسية على شاشة العرض.

إذا وضعت العينة في مجال مغناطيسي طولي (يتم استخدام ملف صغير مع تيار لهذا الغرض)، فسوف يحدث مغنطة العقيق الفريت، في حين أن بعض المجالات سوف تنخفض في الحجم، بينما سيزداد البعض الآخر (الشكل 8.72 ج). في هذه الحالة الممغنطة جزئيًا، يكون من الواضح بشكل خاص إظهار تعتيم بعض المجالات وسطوع مجالات أخرى عند تدوير المحلل). مع زيادة أخرى في المجال المغناطيسي، من الممكن تحقيق مغنطة كاملة للعينة (الشكل 8.72 د). يؤدي إيقاف تشغيل المجال المغناطيسي إلى إرجاع العينة إلى حالتها الأصلية غير الممغنطة. لا يحتوي هذا المغناطيس الناعم على مغنطة متبقية.

باستخدام المجال المغناطيسي النبضي، يمكن للمرء أن يحاول الانتقال من المجالات المغناطيسية الشريطية إلى المجالات المغناطيسية الأسطوانية، والتي تبدو كنقاط عند ملاحظتها بين المستقطبين المتقاطعين. هذه المجالات هي ذات أهمية كبيرة لإنشاء أنظمة معالجة المعلومات الإلكترونية.

الضوء المستقطب خطيا. تنتشر في المنطقة على طول مجال مغناطيسي ثابت. الحقول التي تقع فيها القرية.

تحت تأثير المغناطيسي الحقول، والجسيمات المشحونة في الجزر تكتسب الدوران. الحركة في مستوى عمودي على اتجاه المجال. يحتوي الجسم على مغناطيس مستحث. لحظة. منذ الكهربائية وماج. يعتمد الحث في المادة على وجود المغناطيسية. عزم الدوران والمغناطيسي استقطاب الوسط تحت تأثير المجال، فإن هذا الاعتماد يتجلى في كون الضوء أحادي اللون. تنتشر الموجة في اتجاه المجال وتستقطب بشكل دائري، ويحدث انزياح طوري، وتعتمد إشارة الانزياح على اتجاه الاستقطاب الدائري. ونتيجة لذلك، بالنسبة لأي موجة عبارة عن تراكب مكونين - موجات مستقطبة في دائرة في اتجاهين متعاكسين - تتغير نسبة الطور للمكونات. على وجه الخصوص، الضوء المستقطب خطيًا، وهو مزيج خطي ذو أوزان متساوية من الموجات المستقطبة اليسرى واليمنى في دائرة، يتحول مرة أخرى إلى ضوء مستقطب خطيًا، ولكن مع تدوير مستوى الاستقطاب (بالزاوية أ) بالنسبة إلى اتجاه انتشار الموجة. مثل هذا التغيير في الأطوار يعادل الفرق في معاملات انكسار المادة (أو، وهو نفس الشيء، سرعة انتشار موجة الضوء) للموجات المستقطبة اليسرى واليمنى.

في منطقة لا يوجد بها مغناطيس قوي جدًا. المجالات، يتم تحديد زاوية الدوران لمستوى الاستقطاب بالصيغة التالية:

أ = V(ث،T) ل ب،

حيث V(w,T) هو ثابت Verdet، اعتمادًا على درجة الحرارة والتردد w أحادي اللون. الإشعاع و t-ryT. ل - بصري طول المسار، على سبيل المثال، طول الكوفيت الذي توجد فيه المادة؛ ب-ماج. الحث المغناطيسي الدائم مجالات. للحصول على محلول تركيز بقيمة l يجب استبداله بـ cl. يحدد ثابت Verdet V M لمول من المادة الدوران المولي لمادة نقية: V M = VM/r (M - الكتلة المولية، r - كثافة المادة) أو الدوران المولي للمادة في المحلول: V M = الخامس / ج.

علامة زاوية الدوران (X تؤخذ موجبة لدوران مستوى الاستقطاب في اتجاه عقارب الساعة إذا تزامن انتشار الضوء مع اتجاه المجال المغناطيسي وينظر الراصد إلى مصدر الضوء. هذا الاختيار للعلامات شائع في الكيمياء؛ في الفيزياء، عادة ما يتم قبول الاختيار المعاكس للعلامات.من حيث القيمة العددية، الثوابت ثوابت فيرديت، كقاعدة عامة، صغيرة جدًا: أجزاء من مائة من الدقائق القوسية. بالنسبة لعدد من المواد البارامغناطيسية، تصل هذه الثوابت إلى أعشار الدقيقة. الثوابت لها أعلى القيم، حيث تصل إلى عشرات الدقائق، بالنسبة للمواد المغناطيسية.

عند تردد خط الصوديوم D (w ~ 17000 سم -1)، تكون ثوابت فيرديت بالنسبة لمعظم الأنواع سالبة وبعضها فقط ذو مغناطيسية مسايرة. تقوم المواد (مثل أملاح الحديد) بتدوير مستوى الاستقطاب في الاتجاه الإيجابي. عندما يمر شعاع ضوئي إلى الخلف، فإن مستوى استقطابه يدور في الاتجاه المعاكس بالنسبة لهذا الشعاع، بينما بالنسبة إلى اتجاه المجال B، فإنه يدور في نفس الاتجاه الذي يدور فيه أثناء المرور الأمامي. وهذا يسمح بمرور الشعاع عدة مرات لتجميع زاوية الدوران أ.

اعتماد زاوية الدوران a على تردد المكالمة. التشتت المغناطيسي بصري التناوب: أ = أ (ث). يعتمد التشتت بشدة على بنية الطاقة. طيف الجزيء، ولا سيما كيفية ظهور تأثير زيمان في الجزيئات المتحللة في غياب المغناطيسية. مجالات الطاقة المستويات. الانتقالاتبين مستويات فرعية زيمان تنقسم في الوجود. الحقول، بسبب تأثير فاراداي، تصبح مستقطبة، مما يؤثر بدوره على شكل منحنيات التشتت المغناطيسي. بصري دوران. يرتبط المجال المغناطيسي أيضًا بنفس الأسباب - استقطاب التحولات. ثنائية اللون الدائرية، والتي يحددها الفرق في المعاملات المولية. امتصاص الضوء المستقطب دائريًا من اليسار واليمين: D e (w) = e L (w) - e P (w).

في الكيمياء، غالبا ما تستخدم النتائج التجريبية. العلاقات التي تربط ثوابت فيرديت بالكيمياء. بنية الجزيئات، على سبيل المثال، متماثلة. تطبق الصفوف إضافة القيم V M على الأجزاء الهيكلية

عندما تكون المادة في مجال مغناطيسي، يتم ملاحظة دوران مستوى استقطاب الضوء. من الناحية النظرية، يمكن أن يظهر تأثير فاراداي أيضًا في الفراغ في المجالات المغناطيسية بترتيب 10 11 -10 12 غاوس.

التفسير الظاهري

يمكن دائمًا تمثيل الإشعاع المستقطب خطيًا الذي يمر عبر وسط متناحٍ على أنه تراكب لموجتين مستقطبتين اليمنى واليسرى مع اتجاهين متعاكسين للدوران. في المجال المغناطيسي الخارجي، تصبح مؤشرات الانكسار للضوء المستقطب الدائري الأيمن والأيسر مختلفة ( ن + (\displaystyle n_(+))و ن − (\displaystyle n_(-))). ونتيجة لذلك، عندما يمر الإشعاع المستقطب خطيًا عبر وسط (على طول خطوط المجال المغناطيسي)، تنتشر مكوناته المستقطبة بشكل دائري من اليسار واليمين بسرعات طور مختلفة، مكتسبة فرق مسار يعتمد خطيًا على طول المسار البصري. ونتيجة لذلك، فإن مستوى الاستقطاب للضوء أحادي اللون مستقطب خطيا مع الطول الموجي lect (\displaystyle \lambda)اجتازت المسار في البيئة ل (\displaystyle l)، يدور بزاوية

في منطقة المجالات المغناطيسية ليست قوية جدًا، هناك فرق n + − n − (\displaystyle n_(+)-n_(-))يعتمد خطيا على شدة المجال المغناطيسي وبشكل عام يتم وصف زاوية دوران فاراداي بالعلاقة

أين ν (\displaystyle \nu )- ثابت فيرديت، وهو معامل التناسب الذي يعتمد على خصائص المادة والطول الموجي للإشعاع ودرجة الحرارة.

شرح ابتدائي

يرتبط تأثير فاراداي ارتباطًا وثيقًا بتأثير زيمان، والذي يتضمن تقسيم مستويات الطاقة الذرية في المجال المغناطيسي. وفي هذه الحالة تحدث التحولات بين مستويات الانقسام مع انبعاث فوتونات ذات استقطاب يمين ويسار، مما يؤدي إلى اختلاف معاملات الانكسار ومعاملات الامتصاص للموجات ذات الاستقطاب المختلف. بشكل تقريبي، يرجع الاختلاف في سرعات الموجات المستقطبة بشكل مختلف إلى الاختلاف في الأطوال الموجية للفوتونات الممتصة والمعاد انبعاثها.

تم إجراء وصف دقيق لتأثير فاراداي في إطار ميكانيكا الكم.

تطبيق تأثير

يستخدم في جيروسكوبات الليزر ومعدات القياس بالليزر وأجهزة إرسال الليزر في أنظمة الاتصالات كعنصر من عناصر العازل البصري الوقائي. وبالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام التأثير في إنشاء أجهزة الميكروويف الفريت. وعلى وجه الخصوص، فإن تأثير فاراداي يكمن وراء تشغيل الموجات الدقيقة والدورات الضوئية.

قصة

تم اكتشاف هذا التأثير بواسطة م. فاراداي في عام 1845.

التفسير الأولي لتأثير فاراداي قدمه د. ماكسويل في عمله "أعمال مختارة حول نظرية المجال الكهرومغناطيسي"، حيث تناول الطبيعة الدورانية للمغناطيسية. واستنادًا، من بين أمور أخرى، إلى أعمال كلفن، الذي أكد على أن سبب التأثير المغناطيسي على الضوء يجب أن يكون دورانًا حقيقيًا (وليس خياليًا) في المجال المغناطيسي، يعتبر ماكسويل الوسط الممغنط بمثابة مجموعة من "الدوامات المغناطيسية الجزيئية" ". النظرية التي تعتبر التيارات الكهربائية خطية والقوى المغناطيسية ظواهر دورانية، تتفق بهذا المعنى مع نظريتي أمبير وويبر. يؤدي البحث الذي أجراه دي سي ماكسويل إلى استنتاج مفاده أن التأثير الوحيد لدوران الدوامات على الضوء هو أن مستوى الاستقطاب يبدأ في الدوران في نفس اتجاه الدوامات، بزاوية تتناسب مع:

• سمك المادة
• مكون القوة المغناطيسية الموازية للشعاع،
• معامل الانكسار للشعاع،
• يتناسب عكسيا مع مربع الطول الموجي في الهواء
• متوسط ​​نصف قطر الدوامات المغناطيسية،
• سعة الحث المغناطيسي (النفاذية المغناطيسية).

يثبت د. ماكسويل جميع أحكام "نظرية الدوامات الجزيئية" رياضيًا بشكل صارم، مما يعني أن جميع الظواهر الطبيعية متشابهة بشكل أساسي وتتصرف بطريقة مماثلة.

تم نسيان أو عدم فهم العديد من أحكام هذا العمل لاحقًا (على سبيل المثال، بواسطة هيرتز)، لكن المعادلات المعروفة اليوم للمجال الكهرومغناطيسي استمدها د. ماكسويل من الأسس المنطقية لهذه النظرية.