Koristeći Faradayev efekat. Faradayev efekat i njegova upotreba Praktične primjene Faradejevog efekta

Ovaj efekat je otkrio M. Faraday 1845. godine.

Prvobitno objašnjenje Faradejevog efekta dao je D. Maxwell u svom radu “Izabrani radovi o teoriji elektromagnetnog polja”, gdje razmatra rotacionu prirodu magnetizma. Na osnovu, između ostalog, Kelvinovog rada, koji je naglasio da uzrok magnetskog efekta na svjetlost treba biti stvarna (a ne imaginarna) rotacija u magnetskom polju, Maxwell smatra magnetizirani medij skupom „molekularnih magnetnih vrtloga .” Teorija, koja smatra da su električne struje linearne, a magnetne sile rotaciona pojava, u tom smislu je u skladu sa teorijama Ampera i Webera. Istraživanje koje je proveo D. C. Maxwell dovodi do zaključka da je jedini učinak koji rotacija vrtloga ima na svjetlost da ravnina polarizacije počinje da se rotira u istom smjeru kao i vrtlozi, za ugao proporcionalan:

• debljina supstance
• komponenta magnetne sile paralelna sa snopom,
• indeks prelamanja zraka,
• obrnuto proporcionalno kvadratu talasne dužine u vazduhu,
• prosječni radijus magnetnih vrtloga,
• kapacitivnost magnetne indukcije (magnetna permeabilnost).

D. Maxwell sve odredbe “teorije molekularnih vrtloga” dokazuje matematički striktno, implicirajući da su sve prirodne pojave u osnovi slične i djeluju na sličan način.

Mnoge odredbe ovog rada su kasnije zaboravljene ili nisu shvaćene (na primjer, Hertz), ali je danas poznate jednačine za elektromagnetno polje D. Maxwell izveo iz logičkih premisa ove teorije.

Austrijski teorijski fizičar L. Boltzmann, u bilješkama uz rad D. Maxwella, odgovorio je ovako:

Mogao bih reći da Maxwellovi sljedbenici vjerovatno nisu ništa promijenili u ovim jednačinama osim slova... Rezultate niza ovdje prevedenih radova, dakle, treba svrstati među najvažnija dostignuća fizičke teorije."

vidi takođe

• Magneto-optički efekti

Napišite recenziju o članku "Faradayev efekat"

Bilješke

Izvor

• . Fizička enciklopedija. v.5. strana 275

Odlomak koji opisuje Faradayev efekat

Užasan prizor bojnog polja, prekrivenog leševima i ranjenicima, u kombinaciji s težinom u glavi i vijestima o ubijenim i ranjenim dvadesetak poznatih generala i sa sviješću o nemoći njegove ranije snažne ruke, ostavio je neočekivani utisak na Napoleon, koji je obično volio gledati mrtve i ranjene, testirajući tako svoju duhovnu snagu (kako je mislio). Na današnji dan, strašni prizor bojnog polja porazio je duhovnu snagu u koju je vjerovao u svoju zaslugu i veličinu. Užurbano je napustio bojno polje i vratio se u Ševardinsku humku. Žut, natečen, težak, mutnih očiju, crvenog nosa i promuklim glasom, sjedio je na stolici na sklapanje, nehotice osluškujući zvukove pucnjave i ne podižući oči. S bolnom melanholijom je čekao kraj te stvari, kojoj je sebe smatrao uzrokom, ali koju nije mogao zaustaviti. Lično ljudsko osećanje na kratko je prevladalo nad tim veštačkim duhom života kojem je tako dugo služio. Izdržao je patnju i smrt koju je vidio na bojnom polju. Težina u glavi i grudima podsjetila ga je na mogućnost patnje i smrti za sebe. U tom trenutku nije želio Moskvu, pobjedu, ni slavu za sebe. (Šta mu je još slava trebala?) Jedino što je sada želio je odmor, mir i sloboda. Ali kada je bio na Semenovskoj visoravni, načelnik artiljerije mu je predložio da postavi nekoliko baterija na ove visine kako bi pojačao vatru na ruske trupe koje su se nagomilale ispred Knjazkova. Napoleon se složio i naredio da mu se donesu vijesti o tome kakav će učinak ove baterije proizvesti.
Ađutant je došao da kaže da je, po carevoj naredbi, dve stotine pušaka upereno na Ruse, ali da Rusi i dalje stoje.
„Naša vatra ih vadi u redovima, ali oni stoje“, rekao je ađutant.
„Ils en veulent bis!.. [Oni to još žele!..]“, rekao je Napoleon promuklim glasom.
- Gospodine? [Suveren?] - ponovi ađutant koji nije slušao.
„Ils en veulent bis“, graknuo je Napoleon, mršteći se, promuklim glasom, „donnez leur en.“ [Još uvijek želite, pa pitajte njih.]
I bez njegovog naređenja je urađeno ono što je on hteo, a on je naređivao samo zato što je mislio da se od njega očekuju naređenja. I ponovo se preneo u svoj nekadašnji veštački svet duhova nekakvih veličina, i opet (kao što onaj konj koji hoda po kosom pogonskom točku zamišlja da radi nešto za sebe) poslušno je počeo da izvodi to okrutno, tužno i teško , neljudska uloga koja mu je bila namijenjena.
I nije samo za ovaj sat i dan pomračen um i savjest ovog čovjeka, koji je snosio teret onoga što se dešavalo teže od svih ostalih učesnika u ovoj stvari; ali nikada, do kraja svog života, nije mogao shvatiti ni dobrotu, ni ljepotu, ni istinu, ni smisao svojih postupaka, koji su bili previše suprotni dobroti i istini, previše daleko od svega ljudskog da bi shvatio njihov smisao. Nije se mogao odreći svojih djela, hvaljenih od pola svijeta, pa se morao odreći istine i dobrote i svega ljudskog.
Ne samo na današnji dan, vozeći se po bojnom polju, prepunom mrtvih i unakaženih ljudi (kako je mislio, svojom voljom), on je, gledajući ove ljude, prebrojao koliko Rusa ima za jednog Francuza, i, obmanjujući se, našao razloga za radost što na svakog Francuza dolazi pet Rusa. Ne samo da je na današnji dan u pismu Parizu napisao da le champ de bataille a ete superbe [bojno polje je bilo veličanstveno] jer je na njemu bilo pedeset hiljada leševa; ali i na ostrvu Sveta Jelena, u tišini samoće, gde je rekao da svoje slobodno vreme namerava da posveti izlaganju velikih dela koja je učinio, napisao je:
"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 reason, 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 "etait plus pitanje que de l"organiser.
Satisfait sur ces grands points et tranquille partout, j "aurais eu aussi mon congress et ma sainte alliance. Ce sont des idees qu"on m"a volees. Dans cette reunion de grands souverains, nous eussions traits de nos interets en famille et 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 pourcommuna, et chacun, que les grandes armees permanentes fussent reduites desormais a la seule garde des souverains.

Supstance smještene u vanjsko magnetsko polje postaju anizotropne. Kada se svjetlost širi duž smjera magnetskog polja, anizotropija je kružna. Manifestira se rotacijom azimuta linearne polarizacije za ugao φ , u zavisnosti od jačine magnetnog polja N i udaljenosti l, koja svjetlost putuje u magnetskom polju,

Gdje V- Verdetova konstanta, koja karakteriše magnetno-optička svojstva supstance.

Efekat rotacije azimuta polarizacije kako se svjetlost širi duž smjera magnetskog polja naziva se Faradayev efekat. Napomenimo ovdje bitnu razliku između prirodne rotacije azimuta polarizacije u optički aktivnim supstancama i Faradejevog efekta. U prvom slučaju, smjer rotacije je određen isključivo smjerom širenja svjetlosti, na primjer, u smjeru kazaljke na satu. Stoga, ako se svjetlost koja je prošla kroz optički aktivnu tvar reflektira u ogledalu, tada će, vraćajući se na početnu točku, vratiti smjer oscilacija električnog vektora.

U slučaju Faradejevog efekta, smjer rotacije azimuta polarizacije određen je vektorom magnetske indukcije, bez obzira da li se svjetlost širi duž polja ili naspram polja. Ako se u ovom slučaju svjetlost reflektira od ogledala i vrati nazad, ugao rotacije u prvobitnom položaju će se udvostručiti.

Faradayev efekat omogućava posmatranje magnetnih domena u prozirnim feromagnetnim materijalima. U tu svrhu koristićemo kristale feritnog granata (gadolinij ortoaluminat), koji je, s jedne strane, dielektrik, providan u vidljivom području spektra, a s druge strane ima izražena feromagnetna svojstva. Uzorak ima oblik tanke ploče (0,5 x 5 x 5 mm), u kojoj magnetni domeni formiraju labirint područja sa dva suprotna smjera spontane magnetizacije. U principu, uzorak nije magnetizovan, pošto su zapremine domena magnetizovanih „gore“ i „dole“ jednake (slika 5.15).

Postavimo ovaj uzorak na stub mikroskopa i osvetlimo ga linearno polarizovanom svetlošću (slika 8.71). Nakon prolaska kroz uzorak, polarizacija svjetlosti više neće biti ujednačena, ista u svim tačkama poprečnog presjeka snopa. Polarizacija svjetlosti koja je prošla kroz neke domene će se rotirati za mali ugao u jednom smjeru, a polarizacija svjetlosti koja je prošla kroz druge domene će se rotirati za isti ugao u drugom smjeru. Ako sada postavite analizator ispred okulara mikroskopa, onda tako što ćete ga rotirati, neke domene možete učiniti tamnim, a druge svijetlim (slika 8.72a). Okretanjem analizatora još više, možete, naprotiv, prve domene učiniti svijetlim, a ostale tamnim (slika 8.72b).

A	b
V	G

Rice. 8.72. Magnetski domeni na ekranu monitora.

Ako uzorak stavite u uzdužno magnetsko polje (za to se koristi mala zavojnica sa strujom), tada će doći do magnetizacije feritnog granata, dok će se neke domene smanjiti u veličini, dok će se druge povećati (slika 8.72c). U ovom djelimično magnetiziranom stanju, posebno je jasno demonstrirati potamnjenje nekih domena i posvjetljenje drugih kada se analizator rotira). Daljnjim povećanjem magnetnog polja moguće je postići potpunu magnetizaciju uzorka (slika 8.72d). Isključivanje magnetnog polja vraća uzorak u prvobitno, nemagnetizirano stanje. Ovaj meki feromagnet nema zaostalu magnetizaciju.

Koristeći impulsno magnetno polje, može se pokušati preći od trakastih do cilindričnih magnetnih domena, koje izgledaju kao tačke kada se posmatraju između ukrštenih polarizatora. Upravo su ove oblasti od velikog interesa za kreiranje sistema elektronske obrade informacija.

Linearno polarizovano svetlo. koja se širi u tom području duž konstantnog magnetnog polja. njive u kojima se selo nalazi.

Pod uticajem magneta polja, naelektrisane čestice na ostrvima dobijaju rotaciju. kretanje u ravni okomitoj na smjer polja. Predmet ima inducirani magnet. momenat. Od električne i mag. indukcija u supstanci zavisi od prisustva magnetizma. obrtni i magnetni polarizacija sredine pod uticajem polja, onda se ta zavisnost manifestuje u činjenici da je svetlost monohromatska. talas koji se širi u smjeru polja i polarizira se u krug, dolazi do pomaka faze, a predznak pomaka ovisi o smjeru kružne polarizacije. Kao rezultat toga, za bilo koji val koji je superpozicija dvije komponente - talasi polarizirani u krug u suprotnim smjerovima - fazni omjer komponenti se mijenja. Konkretno, linearno polarizovana svetlost, koja je linearna kombinacija sa jednakim težinama levo- i desno polarizovanih talasa u krugu, ponovo se transformiše u linearno polarizovanu svetlost, ali sa ravninom polarizacije rotiranom (za ugao a) u odnosu na pravac prostiranja talasa. Takva promjena faza je ekvivalentna razlici u indeksima prelamanja tvari (ili, što je isto, brzini širenja svjetlosnog vala) za lijevo i desno polarizirane valove.

U području ne baš jakih magneta. polja, ugao rotacije a ravnine polarizacije određen je sljedećom formulom:

a = V(w,T) l B,

gdje je V(w,T) Verdetova konstanta, ovisno o temperaturi, frekvencija w monohromatska. zračenje i t-ryT; l - optički dužina puta, na primjer, dužina kivete u kojoj se nalazi supstanca; B-magn. trajna magnetna indukcija polja. Za koncentraciju otopine s vrijednošću l mora se zamijeniti cl. Verdetova konstanta V M za mol supstance određuje molarnu rotaciju čiste supstance: V M = VM/r (M - molarna masa, r - gustina supstance) ili molarnu rotaciju supstance u rastvoru: V M = V/ c.

Znak ugla rotacije (X se uzima kao pozitivan za rotaciju ravni polarizacije u smjeru kazaljke na satu ako se širenje svjetlosti poklapa sa smjerom magnetskog polja i posmatrač gleda u izvor svjetlosti. Ovaj izbor znakova je uobičajen u hemiji; u fizici se obično prihvata suprotan izbor predznaka.U smislu numeričke vrijednosti, konstante Verdetove konstante su po pravilu vrlo male: stotinke lučne minute.Za veći broj paramagnetnih materijala one iznose desetinke minute. konstante imaju najveće vrijednosti, dostižući desetine minuta, za feromagnetne materijale.

Na frekvenciji natrijeve D linije (w ~ 17000 cm -1), za većinu vrsta Verdetove konstante su negativne, a samo neke su paramagnetne. supstance (na primjer, soli željeza) rotiraju ravan polarizacije u pozitivnom smjeru. Kada zrak svjetlosti prolazi unazad, njegova ravan polarizacije rotira u suprotnom smjeru u odnosu na ovu zraku, dok se u odnosu na smjer polja B rotira u istom smjeru kao i prilikom prolaska naprijed. Ovo omogućava da se snop prođe više puta kako bi se akumulirao ugao rotacije a.

Zavisnost ugla rotacije a od frekvencije poziva. Magnetna disperzija optički rotacija: a= a(w). Disperzija jako zavisi od energetske strukture. spektra molekula, posebno o tome kako se Zeemanov efekat manifestuje kod degenerisanih u odsustvu magnetizma. energetska polja nivoa. Tranzicijeizmeđu Zeemanovih podnivoa podijeljenih u prisutnosti. polja, zbog Faradejevog efekta, ispadaju polarizirana, što zauzvrat utiče na oblik krivulja magnetske disperzije. optički rotacija. Magnetno polje je također povezano s istim razlozima - polarizacijom prijelaza. kružni dikroizam, određen razlikom molarnih koeficijenata. apsorpcija levog i desnog kružno polarizovanog svetla: D e (w) = e L (w) - e P (w).

U hemiji se često koriste empirijski rezultati. odnose koji povezuju Verdetove konstante sa hemijom. struktura molekula, na primjer, u homolognim. redovi primjenjuju aditivnost vrijednosti V M preko strukturnih fragmenata

Kada je supstanca u magnetnom polju, primećuje se rotacija ravni polarizacije svetlosti. Teoretski, Faradejev efekat se takođe može manifestovati u vakuumu u magnetnim poljima reda veličine 10 11 -10 12 Gausa.

Fenomenološko objašnjenje

Linearno polarizirano zračenje koje prolazi kroz izotropni medij uvijek se može predstaviti kao superpozicija dvaju desno i lijevo polariziranih valova sa suprotnim smjerovima rotacije. U vanjskom magnetskom polju, indeksi loma za kružno desno i lijevo polariziranu svjetlost postaju različiti ( n + (\displaystyle n_(+)) I n − (\displaystyle n_(-))). Kao rezultat toga, kada linearno polarizirano zračenje prolazi kroz medij (duž linija magnetskog polja), njegove kružno lijevo i desno polarizirane komponente šire se različitim faznim brzinama, postižući razliku putanje koja linearno ovisi o duljini optičkog puta. Kao rezultat, ravan polarizacije linearno polarizovane monohromatske svetlosti talasne dužine λ (\displaystyle \lambda) prešao put u okruženju l (\displaystyle l), rotira pod uglom

U području ne baš jakih magnetnih polja, razlika n + − n − (\displaystyle n_(+)-n_(-)) zavisi linearno od jačine magnetnog polja i općenito se ugao Faradejeve rotacije opisuje relacijom

Gdje ν (\displaystyle \nu )- Verdetova konstanta, koeficijent proporcionalnosti koji zavisi od svojstava supstance, talasne dužine zračenja i temperature.

Elementarno objašnjenje

Faradayev efekat je usko povezan sa Zeemanovim efektom, koji uključuje cijepanje nivoa atomske energije u magnetskom polju. U ovom slučaju dolazi do prijelaza između podijeljenih nivoa uz emisiju fotona desne i lijeve polarizacije, što dovodi do različitih indeksa prelamanja i koeficijenata apsorpcije za valove različite polarizacije. Grubo govoreći, razlika u brzinama različito polarizovanih talasa je posledica razlike u talasnim dužinama apsorbovanih i ponovo emitovanih fotona.

Rigorozan opis Faradejevog efekta je sproveden u okviru kvantne mehanike.

Primjena efekta

Koristi se u laserskim žiroskopima, laserskoj mjernoj opremi, laserskim predajnicima u komunikacijskim sistemima kao element zaštitnog optičkog izolatora. Osim toga, efekat se koristi u stvaranju feritnih mikrovalnih uređaja. Konkretno, Faradayev efekat je u osnovi rada mikrovalnih i optičkih cirkulatora.

Priča

Ovaj efekat je otkrio M. Faraday 1845. godine.

Prvobitno objašnjenje Faradejevog efekta dao je D. Maxwell u svom radu “Izabrani radovi o teoriji elektromagnetnog polja”, gdje razmatra rotacionu prirodu magnetizma. Na osnovu, između ostalog, Kelvinovog rada, koji je naglasio da uzrok magnetskog efekta na svjetlost treba biti stvarna (a ne imaginarna) rotacija u magnetskom polju, Maxwell smatra magnetizirani medij skupom „molekularnih magnetnih vrtloga .” Teorija, koja smatra da su električne struje linearne, a magnetne sile rotaciona pojava, u tom smislu je u skladu sa teorijama Ampera i Webera. Istraživanje koje je proveo D. C. Maxwell dovodi do zaključka da je jedini učinak koji rotacija vrtloga ima na svjetlost da ravnina polarizacije počinje da se rotira u istom smjeru kao i vrtlozi, za ugao proporcionalan:

• debljina supstance
• komponenta magnetne sile paralelna sa snopom,
• indeks prelamanja zraka,
• obrnuto proporcionalno kvadratu talasne dužine u vazduhu,
• prosječni radijus magnetnih vrtloga,
• kapacitivnost magnetne indukcije (magnetna permeabilnost).

D. Maxwell sve odredbe “teorije molekularnih vrtloga” dokazuje matematički striktno, implicirajući da su sve prirodne pojave u osnovi slične i djeluju na sličan način.

Mnoge odredbe ovog rada su kasnije zaboravljene ili nisu shvaćene (na primjer, Hertz), ali je danas poznate jednačine za elektromagnetno polje D. Maxwell izveo iz logičkih premisa ove teorije.