Faraday efekti kasutamine. Faraday efekt ja selle kasutamine Faraday efekti praktilised rakendused

Selle efekti avastas M. Faraday 1845. aastal.

Faraday efekti esialgse selgituse andis D. Maxwell oma töös “Valitud teosed elektromagnetvälja teooria kohta”, kus ta käsitleb magnetismi pöörlevat olemust. Tuginedes muuhulgas Kelvini tööle, kes rõhutas, et valguse magnetilise mõju põhjuseks peaks olema reaalne (mitte kujuteldav) pöörlemine magnetväljas, käsitleb Maxwell magnetiseeritud keskkonda kui "molekulaarsete magnetpööriste kogumit". .” Teooria, mis peab elektrivoolu lineaarseks ja magnetjõude pöörlemisnähtusteks, on selles mõttes kooskõlas Ampere'i ja Weberi teooriatega. D. C. Maxwelli läbiviidud uuringud viivad järeldusele, et ainus mõju, mida keeriste pöörlemine valgusele avaldab, on see, et polarisatsioonitasand hakkab pöörlema ​​keeristega samas suunas, nurga võrra, mis on võrdeline:

• aine paksus
• kiirga paralleelse magnetjõu komponent,
• kiire murdumisnäitaja,
• pöördvõrdeline õhu lainepikkuse ruuduga,
• magnetpööriste keskmine raadius,
• magnetilise induktsiooni mahtuvus (magnetiline läbilaskvus).

D. Maxwell tõestab kõiki “molekulaarsete keeriste teooria” sätteid matemaatiliselt rangelt, andes mõista, et kõik loodusnähtused on põhimõtteliselt sarnased ja toimivad sarnaselt.

Paljud selle töö sätted unustati hiljem või ei mõistetud neid (näiteks Hertz), kuid tänapäeval tuntud elektromagnetvälja võrrandid tuletas D. Maxwell selle teooria loogilistest eeldustest.

Austria teoreetiline füüsik L. Boltzmann vastas D. Maxwelli töö märkustes järgmiselt:

Võin öelda, et Maxwelli järgijad ei muutnud nendes võrrandites peale tähtede ilmselt midagi... Siin tõlgitud tööde seeria tulemused tuleks seega liigitada füüsikateooria olulisemate saavutuste hulka.

Vaata ka

• Magnetoptilised efektid

Kirjutage arvustus artikli "Faraday efekt" kohta

Märkmed

Allikas

• . Füüsiline entsüklopeedia. v.5. lk 275

Väljavõte Faraday efekti kirjeldamisest

Kohutav vaatepilt lahinguväljast, kaetud surnukehade ja haavatutega, koos pea raskustundega ja uudistega hukkunud ja haavatud kahekümnest tuttavast kindralist ning teadmisega tema varem tugeva käe jõuetusest jättis ootamatu mulje Napoleon, kes tavaliselt armastas surnuid ja haavatuid vaadata, proovides sellega oma vaimset jõudu (nagu ta arvas). Sellel päeval alistas kohutav vaade lahinguväljale vaimse jõu, millesse ta uskus oma teeneid ja suurust. Ta lahkus kiiruga lahinguväljalt ja naasis Ševardinski künkale. Kollane, paistes, raske, tuhmide silmadega, punase nina ja käheda häälega, istus ta kokkupandaval toolil, kuulas tahtmatult püssipauku ega tõstnud silmi. Valusa melanhoolsusega ootas ta selle asja lõppu, mille põhjuseks ta pidas ennast, kuid mida ta ei suutnud lõpetada. Isiklik inimlik tunne sai lühikeseks hetkeks ülimuslikuks selle kunstliku elukummituse ees, mida ta oli nii kaua teeninud. Ta talus kannatusi ja surma, mida ta lahinguväljal nägi. Tema pea ja rindkere raskus tuletas talle meelde kannatuste ja surma võimalikkust enda jaoks. Sel hetkel ei tahtnud ta endale Moskvat, võitu ega au. (Mis au ta veel vajas?) Ainus, mida ta nüüd tahtis, oli puhkus, rahu ja vabadus. Kuid Semenovskaja kõrgustel viibides soovitas suurtükiväeülem tal paigutada nendele kõrgustele mitu patareid, et tugevdada tuld Knjazkovi ees tunglevate Vene vägede pihta. Napoleon nõustus ja käskis talle tuua uudised selle kohta, millist mõju need patareid avaldavad.
Adjutant tuli rääkima, et keisri käsul on kakssada püssi sihitud venelaste pihta, aga venelased seisavad seal ikka.
"Meie tuli viib nad ridamisi välja, aga nad seisavad," ütles adjutant.
"Ils en veulent encore!.. [Nad tahavad seda ikka!..]," ütles Napoleon käheda häälega.
- Sir? [Suverään?] – kordas adjutant, kes ei kuulanud.
"Ils en veulent encore," kähises Napoleon, kortsutas kulmu käheda häälega, "donnez leur en." [Sa ikka tahad, nii et küsi neilt.]
Ja ilma tema käsuta tehti seda, mida ta tahtis, ja ta andis korraldusi ainult seetõttu, et arvas, et temalt oodatakse korraldusi. Ja ta transporditi taas oma endisesse mingisuguse suurusjärgu kummituste kunstlikku maailma ja jälle (nagu see kaldus veorattal kõndiv hobune kujutab ette, et teeb midagi enda heaks) hakkas ta kuulekalt esitama seda julma, kurba ja rasket. , ebainimlik roll, mis talle mõeldud oli.
Ja mitte ainult selleks tunniks ja päevaks ei tumenenud selle mehe mõistus ja südametunnistus, kes kandis toimuvat suuremat raskust kui kõik teised selles asjas osalejad; kuid kunagi, kuni oma elu lõpuni, ei suutnud ta mõista ei headust, ilu, tõde ega oma tegude tähendust, mis olid liiga vastandlikud headusele ja tõele, liiga kaugel kõigest inimlikust, et ta mõistaks nende tähendust. Ta ei saanud lahti öelda oma tegudest, mida pool maailma kiitis, ja seetõttu pidi ta lahti ütlema tõest ja headusest ja kõigest inimlikust.
Mitte ainult sel päeval, sõites ringi surnud ja rikutud inimestega (nagu ta arvas, oma tahte järgi), luges ta neid inimesi vaadates kokku, kui palju venelasi on ühe prantslase kohta, ja leidis end pettes. põhjust rõõmustada, et iga prantslase kohta oli viis venelast. Ta ei kirjutanud mitte ainult sel päeval Pariisile saadetud kirjas, et le champ de bataille a ete superbe [lahinguväli oli suurepärane], sest sellel oli viiskümmend tuhat laipa; aga ka Püha Helena saarel üksinduse vaikuses, kus ta ütles, et kavatseb oma vaba aja pühendada tehtud suurte tegude tutvustamisele, kirjutas ta:
"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 konservatrice.
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; il n "etait pluss küsimus que de l"korraldaja.
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 suverains, nous eussions traits de nos etcompte en fa 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 mers, et chacun que les grandes armees permanentes fussent reduites desormais a la seule garde des souverains.

Välisesse magnetvälja asetatud ained muutuvad anisotroopseks. Kui valgus levib mööda magnetvälja suunda, on anisotroopia ümmargune. See väljendub lineaarse polarisatsiooni asimuuti pööramises nurga võrra φ , olenevalt magnetvälja tugevusest N ja vahemaad l, milline valgus liigub magnetväljas,

Kus V- Verdet konstant, mis iseloomustab aine magneto-optilisi omadusi.

Polarisatsiooniasimuti pöörlemise mõju, kui valgus levib mööda magnetvälja suunda, nimetatakse Faraday efektiks. Märkigem siin olulist erinevust optiliselt aktiivsete ainete polarisatsiooniasimuudi loomuliku pöörlemise ja Faraday efekti vahel. Esimesel juhul määrab pöörlemissuuna ainult valguse levimise suund, näiteks päripäeva. Seega, kui optiliselt aktiivset ainet läbinud valgus peegeldub peeglis, siis lähtepunkti naastes taastab see elektrivektori võnkesuuna.

Faraday efekti puhul määrab polarisatsiooni asimuuti pöörlemissuuna magnetinduktsiooni vektor, sõltumata sellest, kas valgus levib mööda välja või vastu välja. Kui sel juhul peegeldub valgus peeglist ja saadetakse tagasi, siis pöördenurk algses asendis kahekordistub.

Faraday efekt võimaldab jälgida läbipaistvates ferromagnetilistes materjalides magnetdomeene. Sel eesmärgil kasutame ferriitgranaadi (gadoliinium-ortoaluminaadi) kristalle, mis ühelt poolt on dielektrik, spektri nähtavas piirkonnas läbipaistev ja teiselt poolt tugevate ferromagnetiliste omadustega. Proov on õhukese plaadi kujul (0,5 x 5 x 5 mm), milles magnetdomeenid moodustavad piirkondade labürindi, millel on kaks vastassuunalist spontaanset magnetiseerumist. Üldjuhul näidist ei magnetiseerita, kuna “üles” ja “alla” magnetiseeritud domeenide mahud on võrdsed (joonis 5.15).

Asetame selle proovi mikroskoobi lavale ja valgustame seda lineaarselt polariseeritud valgusega (joonis 8.71). Pärast proovi läbimist ei ole valguse polarisatsioon enam ühtlane, sama kiire ristlõike kõigis punktides. Mõnda domeeni läbinud valguse polarisatsioon pöörleb väikese nurga võrra ühes suunas ja teisi domeene läbinud valguse polarisatsioon pöörleb sama nurga võrra teises suunas. Kui nüüd asetada mikroskoobi okulaari ette analüsaator, siis seda keerates saad osad domeenid tumedaks ja teised heledaks muuta (joonis 8.72a). Analüsaatorit veelgi edasi keerates saate vastupidi muuta esimesed domeenid heledaks ja teised tumedaks (joonis 8.72b).

A	b
V	G

Riis. 8.72. Magnetdomeenid monitori ekraanil.

Kui asetada proov pikisuunalisse magnetvälja (selleks kasutatakse väikest vooluga mähist), siis toimub ferriitgranaadi magnetiseerimine, samal ajal kui mõned domeenid vähenevad, teised aga suurenevad (joonis 8.72c). Selles osaliselt magnetiseeritud olekus on analüsaatori pööramisel eriti selge demonstreerida mõne domeeni tumenemist ja teiste heledamaks muutumist). Magnetvälja edasise suurenemisega on võimalik saavutada proovi täielik magnetiseerimine (joonis 8.72d). Magnetvälja väljalülitamine tagastab proovi algsesse, magnetiseerimata olekusse. Sellel pehmel ferromagnetil puudub jääkmagnetiseerimine.

Impulssmagnetvälja abil saab proovida liikuda ribalt silindrilistesse magnetdomeenidesse, mis ristuvate polarisaatorite vahel vaadeldes näevad välja nagu punktid. Just need valdkonnad pakuvad suurt huvi elektrooniliste infotöötlussüsteemide loomisel.

Lineaarselt polariseeritud valgus. levib piirkonnas piki konstantset magnetvälja. põllud, millel küla asub.

Magnetilise mõju all väljad, laetud osakesed saartel omandavad pöörlemise. liikumine välja suunaga risti olevas tasapinnas. Objektil on indutseeritud magnet. hetk. Kuna elektriline ja mag. induktsioon aines sõltub magnetismi olemasolust. pöördemoment ja magnetiline keskkonna polariseerumine välja mõjul, siis see sõltuvus avaldub selles, et valgus on monokromaatiline. laine levib välja suunas ja polariseerub ringis, toimub faasinihe ja nihke märk sõltub ringpolarisatsiooni suunast. Selle tulemusena muutub iga laine puhul, mis on kahe komponendi superpositsioon - vastassuunas ringikujuliselt polariseeritud lained - komponentide faasisuhe. Täpsemalt, lineaarselt polariseeritud valgus, mis on lineaarne kombinatsioon, mille vasak- ja parempoolsed polariseeritud lained on võrdse kaaluga ringis, muundub uuesti lineaarselt polariseeritud valguseks, kuid polarisatsioonitasapind on pööratud (nurga a võrra) nurga a suhtes. laine levimise suund. Selline faaside muutus on võrdne aine murdumisnäitajate (või mis on sama, valguslaine levimiskiiruse) erinevusega vasak- ja parempoolsete polariseeritud lainete puhul.

Mitte väga tugevate magnetite piirkonnas. Väljade puhul määratakse polarisatsioonitasandi pöördenurk a järgmise valemiga:

a = V(w,T) l B,

kus V(w,T) on Verdet' konstant, olenevalt temperatuurist, sagedus w monokromaatiline. kiirgus ja t-ryT; l - optiline tee pikkus, näiteks küveti pikkus, milles aine asub; B-suur. püsimagnetiline induktsioon väljad. Kontsentratsioonilahuse puhul väärtusega l tuleb asendada cl. Verdet' konstant V M aine mooli kohta määrab puhta aine molaarpöörlemise: V M = VM/r (M - aine molaarmass, r - aine tihedus) või aine molaarpöörlemise lahuses: V M = V/ c.

Pöörlemisnurga märk (X võetakse positiivseks polarisatsioonitasandi päripäeva pööramisel, kui valguse levik langeb kokku magnetvälja suunaga ja vaatleja vaatab valgusallikat. Selline märkide valik on keemias tavaline; füüsikas aktsepteeritakse tavaliselt vastupidist märkide valikut Arvväärtuse poolest on konstandid Verdet' konstandid reeglina väga väikesed: kaareminutite sajandikud. Mitmete paramagnetiliste materjalide puhul ulatuvad need kümnendiku minutini. Verdet konstantidel on ferromagnetiliste materjalide puhul kõrgeimad väärtused, ulatudes kümnete minutiteni.

Naatriumi D joone sagedusel (w ~ 17000 cm -1) on enamiku liikide Verdet' konstandid negatiivsed ja ainult mõned on paramagnetilised. ained (näiteks rauasoolad) pööravad polarisatsioonitasandit positiivses suunas. Kui valguskiir liigub tagurpidi, pöörleb selle polarisatsioonitasand selle kiire suhtes vastupidises suunas, välja B suuna suhtes aga samas suunas nagu edasi liikumisel. See võimaldab tala mitu korda läbi lasta, et koguneda pöördenurk a.

Pöördenurga a sõltuvus kõne sagedusest. Magnetiline dispersioon optiline pöörlemine: a= a(w). Dispersioon sõltub tugevalt energiastruktuurist. molekuli spekter, eriti selle kohta, kuidas Zeemani efekt avaldub degenereerunud molekulides magnetismi puudumisel. energiaväljad tasemed. Üleminekudkohalolekul lõhestatud Zeemani alamtasandite vahel. väljad, Faraday efekti tõttu, osutuvad polariseerituks, mis omakorda mõjutab magnetdispersiooni kõverate kuju. optiline pöörlemine. Magnetväljaga on seotud ka samad põhjused – üleminekute polarisatsioon. ringdikroism, mille määrab molaarkoefitsientide erinevus. vasak- ja parempoolse ringpolariseeritud valguse neeldumine: D e (w) = e L (w) - e P (w).

Keemias kasutatakse sageli empiirilisi tulemusi. seosed, mis ühendavad Verdet' konstante keemiaga. molekulide struktuur, näiteks homoloogsetes. read rakendavad väärtuste V M liitivust struktuurifragmentide suhtes

Kui aine on magnetväljas, täheldatakse valguse polarisatsioonitasandi pöörlemist. Teoreetiliselt võib Faraday efekt avalduda ka vaakumis magnetväljades suurusjärgus 10 11 -10 12 Gaussi.

Fenomenoloogiline seletus

Isotroopset keskkonda läbivat lineaarselt polariseeritud kiirgust saab alati kujutada kahe vastassuunalise pöörlemissuunaga parem- ja vasakpoolse polariseeritud laine superpositsioonina. Välises magnetväljas muutuvad ümmarguse parem- ja vasakpoolse polariseeritud valguse murdumisnäitajad erinevaks ( n + (\displaystyle n_(+)) Ja n − (\displaystyle n_(-))). Selle tulemusena, kui lineaarselt polariseeritud kiirgus läbib keskkonda (mööda magnetvälja jõujooni), levivad selle ringikujuliselt vasak- ja parempoolsed polariseeritud komponendid erineva faasikiirusega, omandades teeerinevuse, mis lineaarselt sõltub optilise tee pikkusest. Selle tulemusena lineaarselt polariseeritud monokromaatilise valguse polarisatsioonitasand lainepikkusega λ (\displaystyle \lambda) läbinud tee keskkonnas l (\displaystyle l), pöörleb nurga all

Mitte väga tugevate magnetväljade piirkonnas on erinevus n + − n − (\displaystyle n_(+)-n_(-)) sõltub lineaarselt magnetvälja tugevusest ja üldiselt kirjeldatakse Faraday pöördenurka seosega

Kus ν (\displaystyle \nu )- Verdet konstant, proportsionaalsustegur, mis sõltub aine omadustest, kiirguse lainepikkusest ja temperatuurist.

Elementaarne selgitus

Faraday efekt on tihedalt seotud Zeemani efektiga, mis hõlmab aatomienergia tasemete lõhenemist magnetväljas. Sel juhul toimuvad üleminekud jagatud tasemete vahel parema ja vasakpoolse polarisatsiooni footonite emissiooniga, mis põhjustab erineva polarisatsiooniga lainete murdumisnäitajate ja neeldumiskoefitsientide tekkimist. Jämedalt öeldes on erinevalt polariseeritud lainete kiiruste erinevus tingitud neeldunud ja uuesti kiirgavate footonite lainepikkuste erinevusest.

Faraday efekti täpne kirjeldus viiakse läbi kvantmehaanika raames.

Efekti rakendamine

Kasutatakse lasergüroskoopides, lasermõõteseadmetes, sidesüsteemide lasersaatjates kaitsva optilise isolaatori elemendina. Lisaks kasutatakse efekti ferriitmikrolaineseadmete loomisel. Eelkõige on Faraday efekti aluseks mikrolaineahjude ja optiliste tsirkulatsioonipumpade töö.

Lugu

Selle efekti avastas M. Faraday 1845. aastal.

Faraday efekti esialgse selgituse andis D. Maxwell oma töös “Valitud teosed elektromagnetvälja teooria kohta”, kus ta käsitleb magnetismi pöörlevat olemust. Tuginedes muuhulgas Kelvini tööle, kes rõhutas, et valguse magnetilise mõju põhjuseks peaks olema reaalne (mitte kujuteldav) pöörlemine magnetväljas, käsitleb Maxwell magnetiseeritud keskkonda kui "molekulaarsete magnetpööriste kogumit". .” Teooria, mis peab elektrivoolu lineaarseks ja magnetjõude pöörlemisnähtusteks, on selles mõttes kooskõlas Ampere'i ja Weberi teooriatega. D. C. Maxwelli läbiviidud uuringud viivad järeldusele, et ainus mõju, mida keeriste pöörlemine valgusele avaldab, on see, et polarisatsioonitasand hakkab pöörlema ​​keeristega samas suunas, nurga võrra, mis on võrdeline:

• aine paksus
• kiirga paralleelse magnetjõu komponent,
• kiire murdumisnäitaja,
• pöördvõrdeline õhu lainepikkuse ruuduga,
• magnetpööriste keskmine raadius,
• magnetilise induktsiooni mahtuvus (magnetiline läbilaskvus).

D. Maxwell tõestab kõiki “molekulaarsete keeriste teooria” sätteid matemaatiliselt rangelt, andes mõista, et kõik loodusnähtused on põhimõtteliselt sarnased ja toimivad sarnaselt.

Paljud selle töö sätted unustati hiljem või ei mõistetud neid (näiteks Hertz), kuid tänapäeval tuntud elektromagnetvälja võrrandid tuletas D. Maxwell selle teooria loogilistest eeldustest.