Korištenje Faradayeva efekta. Faradayev efekt i njegova primjena. Praktična primjena Faradayeva efekta

Taj je učinak otkrio M. Faraday 1845. godine.

Početno objašnjenje Faradayeva efekta dao je D. Maxwell u svom djelu "Odabrana djela o teoriji elektromagnetskog polja", gdje razmatra rotacijsku prirodu magnetizma. Na temelju, između ostalog, rada Kelvina, koji je naglasio da bi uzrok magnetskog učinka na svjetlost trebala biti stvarna (a ne imaginarna) rotacija u magnetskom polju, Maxwell smatra magnetizirani medij skupom “molekularnih magnetskih vrtloga .” Teorija, koja električne struje smatra linearnim, a magnetske sile rotacijskim pojavama, u tom je smislu dosljedna s teorijama Amperea i Webera. Istraživanje koje je proveo D. C. Maxwell dovodi do zaključka da je jedini učinak koji rotacija vrtloga ima na svjetlost taj da se ravnina polarizacije počinje okretati u istom smjeru kao i vrtlozi, za kut proporcionalan:

• debljina tvari
• komponenta magnetske sile paralelna snopu,
• indeks loma zrake,
• obrnuto proporcionalan kvadratu valne duljine u zraku,
• prosječni radijus magnetskih vrtloga,
• kapacitet magnetske indukcije (magnetska permeabilnost).

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

Mnoge odredbe ovog djela kasnije su zaboravljene ili nisu shvaćene (npr. Hertz), ali je danas poznate jednadžbe za elektromagnetsko polje D. Maxwell izveo iz logičnih premisa ove teorije.

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

Mogao bih reći da Maxwellovi sljedbenici vjerojatno nisu ništa promijenili u tim jednadžbama osim slova... Rezultate niza ovdje prevedenih radova, stoga treba svrstati među najvažnija dostignuća fizikalne teorije."

vidi također

• Magneto-optički učinci

Napišite recenziju o članku "Faradayev efekt"

Bilješke

Izvor

• . Fizička enciklopedija. v.5. stranica 275

Odlomak koji opisuje Faradayev efekt

Strahovit prizor bojnog polja, prekrivenog leševima i ranjenicima, u kombinaciji s težinom glave i s vijestima o poginulih i ranjenih dvadesetak poznatih generala i sa sviješću o nemoći njegove dotad snažne ruke, učinili su neočekivani dojam na Napoleon, koji je obično volio gledati mrtve i ranjene, testirajući tako svoju duhovnu snagu (kako je mislio). Stravičan prizor bojnog polja porazio je na današnji dan duhovnu snagu u koju je vjerovao u svoju zaslugu i veličinu. Žurno je napustio bojno polje i vratio se na Ševardinski humak. Žut, natečen, težak, tupih očiju, crvenog nosa i promuklog glasa, sjedio je na sklopivoj stolici, nehotice slušajući zvukove pucnjave i ne podižući pogled. S bolnom sjetom iščekivao je kraj te stvari, kojoj je sebe smatrao uzrokom, ali koju nije mogao zaustaviti. Osobni ljudski osjećaj nakratko je uzeo prevagu nad tom umjetnom sablasti života kojoj je tako dugo služio. Podnio je patnju i smrt koju je vidio na bojnom polju. Težina u glavi i prsima podsjetila ga je na mogućnost patnje i smrti za sebe. U tom trenutku nije želio ni Moskvu, ni pobjedu, ni slavu za sebe. (Kakva mu je još slava trebala?) Jedino što je sada želio bio je odmor, mir i sloboda. Ali kad je bio na Semenovskoj uzvisini, načelnik topništva predložio mu je da postavi nekoliko baterija na te visine kako bi pojačao vatru na ruske trupe nagomilane ispred Knjažkova. Napoleon je pristao i naredio da mu se donesu vijesti o tome kakav će učinak te baterije proizvesti.
Ađutant je došao reći da je po carevoj zapovijedi dvije stotine pušaka upereno u Ruse, ali da Rusi još uvijek stoje.
"Naša vatra ih vadi u redovima, ali oni stoje", rekao je ađutant.
“Ils en veulent encore!.. [Još uvijek ga žele!..],” rekao je Napoleon promuklim glasom.
- Gospodine? [Suveren?] - ponovi ađutant koji nije slušao.
"Ils en veulent encore", graknuo je Napoleon, mršteći se, promuklim glasom, "donnez leur en." [Još uvijek želite, pa ih pitajte.]
I bez njegove zapovijedi radilo se što je htio, a zapovijedao je samo zato što je mislio da se od njega očekuju zapovijedi. I opet je prebačen u svoj nekadašnji umjetni svijet duhova nekakvih veličina, i opet (kao što onaj konj koji hoda po kosom pogonskom kotaču umišlja da nešto radi za sebe) poslušno je počeo izvoditi tu okrutnu, tužnu i tešku , neljudsku ulogu koja mu je bila namijenjena.
I nije se samo za ovaj čas i dan pomračila pamet i savjest ovoga čovjeka, koji je podnio najveći teret onoga što se događalo više od svih ostalih sudionika u ovoj stvari; ali nikada, do kraja života, nije mogao shvatiti ni dobrotu, ni ljepotu, ni istinu, ni smisao svojih postupaka, koji su bili suviše suprotni dobroti i istini, suviše daleko od svega ljudskog da bi on mogao razumjeti njihov smisao. Nije se mogao odreći svojih djela, hvaljenih od pola svijeta, te se stoga morao odreći istine i dobrote i svega ljudskog.
Ne samo ovoga dana, vozeći se po bojnom polju, prepunom mrtvih i osakaćenih ljudi (kako je mislio, svojom voljom), on je, gledajući te ljude, brojao koliko Rusa ima na jednog Francuza, i, varajući se, našao razloga za radost što je na svakog Francuza bilo pet Rusa. Ne samo da je na današnji dan napisao u pismu Parizu da je le champ de bataille a ete superbe [bojno polje bilo veličanstveno] jer je na njemu bilo pedeset tisuća leševa; ali i na otoku Sveta Helena, u tišini samoće, gdje je rekao da svoje slobodno vrijeme namjerava posvetiti izlaganju velikih djela 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 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 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 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.

Tvari stavljene u vanjsko magnetsko polje postaju anizotropne. Kada se svjetlost širi duž smjera magnetskog polja, anizotropija je kružna. Očituje se u zakretanju azimuta linearne polarizacije za kut φ , ovisno o jakosti magnetskog polja N i udaljenosti l, koje svjetlost putuje u magnetskom polju,

Gdje V- Verdetova konstanta, karakterizira magneto-optička svojstva tvari.

Učinak rotacije azimuta polarizacije dok se svjetlost širi duž smjera magnetskog polja naziva se Faradayev efekt. Napomenimo ovdje važnu razliku između prirodne rotacije azimuta polarizacije u optički aktivnim tvarima i Faradayeva efekta. U prvom slučaju, smjer rotacije određen je isključivo smjerom širenja svjetlosti, na primjer, u smjeru kazaljke na satu. Dakle, ako se svjetlost koja je prošla kroz optički aktivnu tvar reflektira u zrcalu, tada će, vraćajući se na početnu točku, vratiti smjer oscilacija električnog vektora.

Kod Faradayeva efekta smjer rotacije azimuta polarizacije određen je vektorom magnetske indukcije, neovisno o tome širi li se svjetlost duž polja ili protiv polja. Ako se u tom slučaju svjetlost reflektira od zrcala i pošalje natrag, kut rotacije u izvornom položaju će se udvostručiti.

Faradayev efekt omogućuje promatranje magnetskih domena u prozirnim feromagnetskim materijalima. U tu svrhu koristit ćemo kristale feritnog granata (gadolinijevog ortoaluminata), koji je s jedne strane dielektrik, proziran u vidljivom području spektra, as druge strane ima izražena feromagnetska svojstva. Uzorak ima oblik tanke ploče (0,5 x 5 x 5 mm), u kojoj magnetske domene tvore labirint područja s dva suprotna smjera spontanog magnetiziranja. Općenito, uzorak nije magnetiziran, budući da su volumeni domena magnetiziranih "gore" i "dolje" jednaki (slika 5.15).

Postavimo ovaj uzorak na postolje mikroskopa i osvijetlimo ga linearno polariziranim svjetlom (slika 8.71). Nakon prolaska kroz uzorak, polarizacija svjetlosti više neće biti jednolika, ista u svim točkama presjeka snopa. Polarizacija svjetlosti koja je prošla kroz neke domene zakrenut će se za mali kut u jednom smjeru, a polarizacija svjetlosti koja je prošla kroz druge domene zakrenut će se za isti kut u drugom smjeru. Ako sada postavite analizator ispred okulara mikroskopa, tada njegovim okretanjem možete neke domene učiniti tamnima, a druge svijetlima (slika 8.72a). Još većim okretanjem analizatora možete, naprotiv, prve domene učiniti svijetlima, a druge tamnima (slika 8.72b).

A	b
V	G

Riža. 8.72. Magnetske domene na ekranu monitora.

Ako stavite uzorak u uzdužno magnetsko polje (za to se koristi mala zavojnica s strujom), tada će doći do magnetizacije feritnog granata, dok će se neke domene smanjiti, dok će se druge povećati (slika 8.72c). U ovom djelomično magnetiziranom stanju, posebno je jasno pokazati zatamnjenje nekih domena i posvjetljivanje drugih kada se analizator okrene). Daljnjim povećanjem magnetskog polja moguće je postići potpuno magnetiziranje uzorka (sl. 8.72d). Isključivanjem magnetskog polja uzorak se vraća u prvobitno, nemagnetizirano stanje. Ovaj meki feromagnet nema zaostalu magnetizaciju.

Koristeći pulsirajuće magnetsko polje, može se pokušati prijeći s prugastih na cilindrične magnetske domene, koje izgledaju kao točke kada se promatraju između ukrštenih polarizatora. Upravo su ta područja od velikog interesa za stvaranje sustava elektroničke obrade informacija.

Linearno polarizirano svjetlo. šireći se u području duž konstantnog magnetskog polja. njive u kojima se selo nalazi.

Pod utjecajem magnetskih poljima, nabijene čestice u otocima poprimaju rotaciju. kretanje u ravnini okomitoj na smjer polja. Predmet ima inducirani magnet. trenutak. Od električne i mag. indukcija u tvari ovisi o prisutnosti magnetizma. moment i magnetski polarizacija medija pod utjecajem polja, onda se ta ovisnost očituje u tome što je svjetlost monokromatska. vala koji se širi u smjeru polja i kružno polarizira dolazi do faznog pomaka, a predznak pomaka ovisi o smjeru kružne polarizacije. Kao rezultat toga, za bilo koji val koji je superpozicija dviju komponenti - valova polariziranih u krugu u suprotnim smjerovima - mijenja se omjer faza komponenti. Konkretno, linearno polarizirana svjetlost, koja je linearna kombinacija s jednakim težinama lijevo- i desno-polariziranih valova u krugu, ponovno se pretvara u linearno polariziranu svjetlost, ali s ravninom polarizacije zakrenutom (za kut a) u odnosu na smjer širenja vala. Takva promjena faza je ekvivalentna razlici u indeksima loma tvari (ili, što je isto, brzini širenja svjetlosnog vala) za lijevo- i desno-polarizirane valove.

U području ne baš jakih magneta. polja, kut 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 monokromatski. zračenje i t-ryT; l - optički duljina puta, na primjer, duljina kivete u kojoj se tvar nalazi; B-magn. trajna magnetska indukcija polja. Za otopinu koncentracije s vrijednošću l mora se zamijeniti s cl. Verdetova konstanta V M za mol tvari određuje molarnu rotaciju čiste tvari: V M = VM/r (M - molarna masa, r - gustoća tvari) ili molarnu rotaciju tvari u otopini: V M = V/ c.

Predznak kuta rotacije (X) uzima se pozitivnim za rotaciju ravnine polarizacije u smjeru kazaljke na satu ako se širenje svjetlosti podudara sa smjerom magnetskog polja i promatrač gleda u izvor svjetlosti. Ovaj izbor predznaka je uobičajen u kemiji; u fizici se obično prihvaća suprotan izbor predznaka U smislu numeričke vrijednosti konstante Verdetove konstante su u pravilu vrlo male: stotinke lučne minute Za niz paramagnetskih materijala one iznose desetinke minute Verdetove konstante konstante imaju najveće vrijednosti, koje dosežu desetke minuta, za feromagnetske materijale.

Na frekvenciji natrijeve D linije (w ~ 17000 cm -1), za većinu vrsta Verdetove konstante su negativne, a samo neke su paramagnetske. tvari (na primjer, soli željeza) zakreću ravninu polarizacije u pozitivnom smjeru. Kada zraka svjetlosti prolazi unatrag, njezina ravnina polarizacije zakreće se u suprotnom smjeru u odnosu na tu zraku, dok se u odnosu na smjer polja B zakreće u istom smjeru kao i pri prolasku naprijed. To omogućuje da zraka prođe više puta kako bi se akumulirao kut rotacije a.

Ovisnost kuta rotacije a o frekvenciji poziva. Magnetska disperzija optički rotacija: a= a(w ). Disperzija jako ovisi o energetskoj strukturi. spektra molekule, posebno o tome kako se Zeemanov efekt očituje u degeneriranim molekulama u odsutnosti magnetizma. energetska polja razine. Prijelaziizmeđu Zeemanovih podrazina podijeljenih u prisutnosti. polja, zbog Faradayeva efekta, ispadaju polarizirana, što zauzvrat utječe na oblik krivulja magnetske disperzije. optički rotacija. Magnetsko polje također je povezano s istim razlozima - polarizacijom prijelaza. kružni dikroizam, određen razlikom u molarnim koeficijentima. apsorpcija lijevo- i desno-cirkularno polarizirane svjetlosti: D e (w) = e L (w) - e P (w).

U kemiji se često koriste empirijski rezultati. odnosi koji povezuju Verdetove konstante s kemijom. struktura molekula, npr. u homolog. redaka primijenite aditivnost vrijednosti V M preko strukturnih fragmenata

Kada je tvar u magnetskom polju, opaža se rotacija ravnine polarizacije svjetlosti. Teoretski, Faradayev efekt se također može manifestirati u vakuumu u magnetskim poljima reda veličine 10 11 -10 12 Gaussa.

Fenomenološko objašnjenje

Linearno polarizirano zračenje koje prolazi kroz izotropni medij uvijek se može prikazati kao superpozicija dva desno- i lijevo-polarizirana vala suprotnih smjerova rotacije. U vanjskom magnetskom polju, indeksi loma za kružno desno i lijevo polarizirano svjetlo 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 puta koja linearno ovisi o duljini optičkog puta. Kao rezultat, ravnina polarizacije linearno polarizirane monokromatske svjetlosti s valnom duljinom λ (\displaystyle \lambda) prevaljen put u okruženju l (\displaystyle l), okreće se pod kutom

U području ne baš jakih magnetskih polja, razlika n + − n − (\displaystyle n_(+)-n_(-)) linearno ovisi o jakosti magnetskog polja i općenito se kut Faradayeve rotacije opisuje relacijom

Gdje ν (\displaystyle \nu )- Verdetova konstanta, koeficijent proporcionalnosti koji ovisi o svojstvima tvari, valnoj duljini zračenja i temperaturi.

Elementarno objašnjenje

Faradayev efekt usko je povezan sa Zeemanovim efektom, koji uključuje cijepanje atomskih energetskih razina u magnetskom polju. U tom slučaju dolazi do prijelaza između razdvojenih razina uz emisiju fotona desne i lijeve polarizacije, što dovodi do različitih indeksa loma i koeficijenata apsorpcije za valove različite polarizacije. Grubo rečeno, razlika u brzinama različito polariziranih valova posljedica je razlike u valnim duljinama apsorbiranih i reemitiranih fotona.

Strogi opis Faradayeva efekta provodi se u okviru kvantne mehanike.

Primjena efekta

Koristi se u laserskim žiroskopima, laserskoj mjernoj opremi, laserskim odašiljačima u komunikacijskim sustavima kao element zaštitnog optičkog izolatora. Osim toga, učinak se koristi u stvaranju feritnih mikrovalnih uređaja. Konkretno, Faradayev efekt leži u osnovi rada mikrovalnih i optičkih cirkulatora.

Priča

Taj je učinak otkrio M. Faraday 1845. godine.

Početno objašnjenje Faradayeva efekta dao je D. Maxwell u svom djelu "Odabrana djela o teoriji elektromagnetskog polja", gdje razmatra rotacijsku prirodu magnetizma. Na temelju, između ostalog, rada Kelvina, koji je naglasio da bi uzrok magnetskog učinka na svjetlost trebala biti stvarna (a ne imaginarna) rotacija u magnetskom polju, Maxwell smatra magnetizirani medij skupom “molekularnih magnetskih vrtloga .” Teorija, koja električne struje smatra linearnim, a magnetske sile rotacijskim pojavama, u tom je smislu dosljedna s teorijama Amperea i Webera. Istraživanje koje je proveo D. C. Maxwell dovodi do zaključka da je jedini učinak koji rotacija vrtloga ima na svjetlost taj da se ravnina polarizacije počinje okretati u istom smjeru kao i vrtlozi, za kut proporcionalan:

• debljina tvari
• komponenta magnetske sile paralelna snopu,
• indeks loma zrake,
• obrnuto proporcionalan kvadratu valne duljine u zraku,
• prosječni radijus magnetskih vrtloga,
• kapacitet magnetske indukcije (magnetska permeabilnost).

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

Mnoge odredbe ovog djela kasnije su zaboravljene ili nisu shvaćene (npr. Hertz), ali je danas poznate jednadžbe za elektromagnetsko polje D. Maxwell izveo iz logičnih premisa ove teorije.