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.

Эффект Фарадея

Эффект Фарадея (продольный электрооптический эффект Фарадея) - магнитооптический эффект, который заключается в том, что при распространении линейно поляризованного света через оптически неактивное 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 ( и ). 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 , прошедшего в среде путь , поворачивается на угол

В области не очень сильных магнитных полей разность линейно зависит от напряжённости магнитного поля и в общем виде угол фарадеевского вращения описывается соотношением

где - 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 и другой лазерной измерительной технике и в системах связи.

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 профессора У. Томсона , 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, проведенное 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
• емкости 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"

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Эффект Фарадея" в других словарях:

эффект Фарадея - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN Faraday effect … Справочник технического переводчика

эффект Фарадея - Faradėjaus reiškinys statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Faraday effect vok. Faraday Effekt, m rus. эффект Фарадея, m; явление Фарадея, n pranc. effet Faraday, m … Fizikos terminų žodynas

эффект Фарадея - Faradėjaus reiškinys statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Tiesiai poliarizuotos šviesos, sklindančios medžiagoje išilgai magnetinio lauko jėgų linijų, poliarizacijos plokštumos sukimas. Poliarizacijos plokštumos sukimo… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

эффект Фарадея - Faradėjaus efektas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Faraday effect vok. Faraday Effekt, m rus. эффект Фарадея, m pranc. effet Faraday, m … Fizikos terminų žodynas

эффект Фарадея - один из эффектов магнитооптики, заключающийся во вращении плоскости поляризации электромагнитного излучения (например, света), распространяющегося в веществе вдоль силовых линий постоянного магнитного поля, проходящих через это… …

Эффект Фарадея (продольный магнитооптический эффект Фарадея) магнитооптический эффект, который заключается в том, что при распространении линейно поляризованного света через вещество, находящееся в магнитном поле, наблюдается вращение плоскости… … Википедия

Эффект Керра, или квадратичный электрооптический эффект явление изменения значения показателя преломления оптического материала пропорционально второй степени напряженности приложенного электрического поля. В сильных полях наблюдаются… … Википедия

Эффект - 1. Результат, следствие каких либо причин, действий. 2. В естественных науках явление (закономерность), часто называют именем открывшего этот эффект ученого (например, эффект Холла, эффект Фарадея, эффект Томсона и т. п.): Смотри также:… … Энциклопедический словарь по металлургии

эффект Холла - возникновение поперечного электрического поля и разности потенциалов в металле или полупроводнике, по которому проходит электрический ток, при помещении его в магнитное поле, перпендикулярно к направлению тока. Открыт американским… … Энциклопедический словарь по металлургии электронная книга

Продольный магнитооптический эффект Фарадея

Основные свойства эффекта

Продольный магнитооптический эффект состоит в повороте плоскости поляризации луча света, проходящего через прозрачную среду, находящуюся в магнитном поле. Этот эффект был открыт в 1846 году. Открытие магнитооптического эффекта долгое время имело значение в чисто физическом аспекте, но за последние десятилетия оно дало много практических выходов. Также были открыты другие магнитооптические эффекты, в частности, хорошо известный эффект Зеемана и эффект Керра, проявляющийся в повороте плоскости поляризации луча, отраженного от намагниченной среды. Наш интерес к эффектам Фарадея и Керра обусловлен их применением в физике, оптике и электронике. К ним относятся:

определение эффективной массы носителей заряда или их плотности в полупроводниках;

амплитудная модуляция лазерного излучения для оптических линий связи и определение времени жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках;

изготовление оптических невзаимных элементов;

визуализация доменов в ферромагнитных пленках;

магнитооптическая запись и воспроизведение информации как в специальных, так и бытовых целях.

Принципиальная схема устройства для наблюдения и многих применений эффекта Фарадея показана на рисунке 1. Схема состоит из источника света, поляризатора, анализатора и фотоприемника. Между поляризатором и анализатором помещается исследуемый образец. Угол поворота плоскости поляризации отсчитывается по углу поворота анализатора до восстановления полного гашения света при включенном магнитном поле. Интенсивность прошедшего пучка определяется законом Малюса

На этом основана возможность использования эффекта Фарадея для модуляции пучков света. Основной закон, вытекающий из измерений угла поворота плоскости поляризации a , выражается формулой

a = vHl

где H - напряженность магнитного поля, l - длина образца, полностью находящегося в поле и v - постоянная Верде, которая содержит в себе информацию о свойствах, присущих исследуемому образцу, и может быть выражена через микроскопические параметры среды.

Основная особенность магнитооптического эффекта Фарадея состоит в его невзаимности, т.е. нарушении принципа обратимости светового пучка. Опыт показывает, что изменение направления светового пучка на обратное (на пути "назад") дает такой же угол поворота и в ту же сторону, как на пути "вперед". Поэтому при многократном прохождении пучка между поляризатором и анализатором эффект накапливается. Изменение направления магнитного поля, напротив, изменяет направление вращения на обратное. Эти свойства объединяются в понятии "гиротропная среда".

Объяснение эффекта циркулярным магнитным двупреломлением

Согласно Френелю, поворот плоскости поляризации является следствием циркулярного двупреломления. Циркулярная поляризация выражается функциями для правого вращения (по часовой стрелке) и для вращения против часовой стрелки. Линейная поляризация может рассматриваться как результат суперпозиции волн с циркулярной поляризацией с противоположным направлением вращения. Пусть показатели преломления для правой и левой циркулярной поляризации неодинаковы. Введем средний показатель преломления n и отклонение от него. Тогда получим колебание с комплексной амплитудой

что соответствует вектору E, направленному под углом a к оси X. Этот угол и есть угол поворота плоскости поляризации при циркулярном двупреломлении, равный

Вычисление разности показателей преломления

Из теории электричества известно, что система зарядов в магнитном поле вращается с угловой скоростью

которая называется скоростью прецессии Лармора.

Представим себе что мы смотрим навстречу циркулярно поляризованному лучу, идущему через среду, вращающуюся с частотой

Лармора; если направления вращения вектора E в луче и Ларморовского вращения совпадают, то для среды существенна относительная угловая скорость ,а если эти вращения имеют разные направления, то относительная угловая скорость равна .

Но среда обладает дисперсией и мы видим, что

Отсюда получаем формулу для угла поворота плоскости поляризации

и для постоянной Верде

Практические применения эффекта Фарадея

Эффект Фарадея приобрел большое значение для физики полупроводников при измерениях эффективной массы носителей заряда. Эффект Фарадея очень полезен при исследованиях степени однородности полупроводниковых пластин, имеющих целью отбраковку дефектных пластин. Для этого проводится сканирование по пластине узким лучом-зондом от инфракрасного лазера. Те места пластины, в которых показатель преломления, а следовательно, и плотность носителей заряда, отклоняются от заданных, будут выявляться по сигналам фотоприемника, регистрирующего мощность прошедшего через пластину излучения.

Рассмотрим теперь амплитудные и фазовые невзаимные элементы (АНЭ и ФНЭ) на основе эффекта Фарадея. В простейшем случае оптика АНЭ состоит из пластинки специального магнитооптического стекла, содержащего редкоземельные элементы, и двух пленочных поляризаторов (поляроидов). Плоскости пропускания поляризаторов ориентированы под углом 45 градусов друг к другу. Магнитное поле создается постоянным магнитом и подбирается так, чтобы поворот плоскости поляризации стеклом составлял 45 градусов.

Тогда на пути "вперед" вся система будет прозрачной, а на пути "назад" непрозрачной, т.е. она приобретает свойства оптического вентиля. ФНЭ предназначен для создания регулируемой разности фаз двух линейно поляризованных встречных волн. ФНЭ нашел применение в оптической гирометрии. Он состоит из пластинки магнитооптического стекла и двух пластинок, вносящих разность фаз Pi/2 и -Pi/2 .

Магнитное поле, как и в АНЭ создается постоянным магнитом. На пути "вперед" линейно поляризованная волна, прошедшая пластинку преобразуется в циркулярно поляризованную с правым вращением, затем проходит магнитооптическую пластинку с соответствующей скоростью и далее через вторую пластинку, после чего линейная поляризация восстанавливается. На пути "назад" получается левая поляризация и эта волна проходит магнитооптическую пластинку со скоростью, отличающейся от скорости правой волны, и далее преобразуется в линейно поляризованную. Введя ФНЭ в кольцевой лазер, мы обеспечиваем разность времен обхода контура встречными волнами и вытекающую отсюда разность их длин волн.

В непосредственной близости к собственной частоте осцилляторов эффект Фарадея описывается более сложными закономерностями. В уравнении движения осциллирующего электрона необходимо учитывать затухание

Необходимо отметить, что для циркулярно поляризованных волн, распространяющихся вдоль магнитного поля, дисперсионная кривая и спектральный контур линии поглощения имеют для данной среды тот же вид, что и при отсутствии магнитного поля, отличаясь только сдвигом по шкале частот.

На рисунке 3 штриховыми линиями показаны графики функций , а их разность - сплошной линией. Видно, что в окрестности Wo дважды изменяется знак эффекта Фарадея: в интервале частот вблизи Wo поворот направления поляризации происходит в отрицательную сторону, а вне этого интервала - в положительную. Однако следует иметь в виду, что в данном случае эффект не сводится только к повороту направления поляризации падающей волны. В окрестности Wo существенно поглощение света, причем при данном значении W коэффициенты затухания для циркулярно поляризованных составляющих падающей волны имеют разные значения (круговой дихроизм). Поэтому после прохождения через образец амплитуды этих составляющих не равны и при их сложении получается эллиптически поляризованный свет.

Важно сознавать, что в эффекте Фарадея магнитное поле влияет на состояние поляризации света лишь косвенно, изменяя характеристики среды, в которой распространяется свет. В вакууме магнитное поле никакого влияния на свет не оказывает.

Обычно угол поворота направления поляризации очень мал, но благодаря высокой чувствительности экспериментальных методов измерения состояния поляризации эффект Фарадея лежит в основе совершенных оптических методов определения атомных констант.

http://ofap.ulstu.ru/res/puevm/PAGE13.HTM

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ФАКУЛЬТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

КАФЕДРА ЭЛЕКТРОПРИВОДА, АВТОМАТИКИ И УПРАВЛЕНИЯ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

РЕФЕРАТ

ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

Выполнил

студент группы АТ-151

Пашков П. А.

Проверил

Сазонова Т. Л.

Введение

Основные свойства эффекта

Практическое применение эффекта Фарадея

Заключение

Список литературы

Введение

Явление вращения плоскости поляризации линейно поляризованного света, проходящего через продольно намагниченную среду, открытое Майклом Фарадеем в 1845 году и названное его именем, широко используется для исследования физических свойств веществ. Эффект Фарадея обусловлен круговым двупреломлением, т. е. различием показателей преломления волн с левой и правой циркулярной поляризацией, что вызывает поворот плоскости поляризации и появление эллиптичности линейно поляризованного света. 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.

Основные свойства эффекта

Продольный магнитооптический эффект состоит в повороте плоскости поляризации луча света, проходящего через прозрачную среду, находящуюся в магнитном поле. Этот эффект был открыт в 1846 году. Открытие магнитооптического эффекта долгое время имело значение в чисто физическом аспекте, но за последние десятилетия оно дало много практических выходов. Также были открыты другие магнитооптические эффекты, в частности, хорошо известный эффект Зеемана и эффект Керра, проявляющийся в повороте плоскости поляризации луча, отраженного от намагниченной среды. наш интерес к эффектам Фарадея и Керра обусловлен их применением в физике, оптике и электронике. К ним относятся:

Определение эффективной массы носителей заряда или их плотности в полупроводниках;

Амплитудная модуляция лазерного излучения для оптических линий связи и определение времени жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках;

Изготовление оптических невзаимных элементов;

Визуализация доменов в ферромагнитных пленках;

Магнитооптическая запись и воспроизведение информации как в специальных, так и бытовых целях.

Принципиальная схема устройства для наблюдения и многих применений эффекта Фарадея показана на рис. 1. Схема состоит из источника света, поляризатора, анализатора и фотоприемника. Между поляризатором и анализатором помещается исследуемый образец. Угол поворота плоскости поляризации отсчитывается по углу поворота анализатора до восстановления полного гашения света при включенном магнитном поле.

Интенсивность прошедшего пучка определяется законом Малюса

На этом основана возможность использования эффекта Фарадея для модуляции пучков света. Основной закон, вытекающий из измерений угла поворота плоскости поляризации, выражается формулой

где - напряженность магнитного поля, - длина образца, полностью находящегося в поле и - постоянная Верде, которая содержит в себе информацию о свойствах, присущих исследуемому образцу, и может быть выражена через микроскопические параметры среды.

Основная особенность магнитооптического эффекта Фарадея состоит в его невзаимности, т.е. нарушении принципа обратимости светового пучка. Опыт показывает, что изменение направления светового пучка на обратное /на пути "назад"/ дает такой же угол поворота и в ту же сторону, как на пути "вперед". Поэтому при многократном прохождении пучка между поляризатором и анализатором эффект накапливается. Изменение направления магнитного поля, напротив, изменяет направление вращения на обратное. Эти свойства объединяются в понятии "гиротропная среда".

Объяснение эффекта циркулярным магнитным двупреломлением

Согласно Френелю, поворот плоскости поляризации является следствием циркулярного двупреломления. Циркулярная поляризация выражается функциями для правого вращения /по часовой стрелке/ и для вращения против часовой стрелки. Линейная поляризация может рассматриваться как результат суперпозиции волн с циркулярной поляризацией с противоположным направлением вращения. Пусть показатели преломления для правой и левой циркулярной поляризации неодинаковы. Введем средний показатель преломления и отклонение от него. Тогда получим колебание с комплексной амплитудой

что соответствует вектору, направленному под углом к оси X. Этот угол и есть угол поворота плоскости поляризации при циркулярном двупреломлении, равный

Вычисление разности показателей преломления

Из теории электричества известно, что система зарядов в магнитном поле вращается с угловой скоростью

которая называется скоростью прецессии Лармора.

Представим себе что мы смотрим навстречу циркулярно поляризованному лучу, идущему через среду, вращающуюся с частотой Лармора; если направления вращения вектора в луче и Ларморовского вращения совпадают, то для среды существенна относительная угловая скорость, а если эти вращения имеют разные направления, то относительная угловая скорость равна.

Но среда обладает дисперсией и мы видим, что

Отсюда получаем формулу для угла поворота плоскости поляризации

и для постоянной Верде

Практические применения эффекта Фарадея

Эффект Фарадея приобрел большое значение для физики полупроводников при измерениях эффективной массы носителей заряда. Эффект Фарадея очень полезен при исследованиях степени однородности полупроводниковых пластин, имеющих целью отбраковку дефектных пластин. Для этого проводится сканирование по пластине узким лучом-зондом от инфракрасного лазера. Те места пластины, в которых показатель преломления, а следовательно, и плотность носителей заряда, отклоняются от заданных, будут выявляться по сигналам фотоприемника, регистрирующего мощность прошедшего через пластину излучения.

Рассмотрим теперь амплитудные и фазовые невзаимные элементы /АНЭ и ФНЭ/ на основе эффекта Фарадея. В простейшем случае оптика АНЭ состоит из пластинки специального магнитооптического стекла, содержащего редкоземельные элементы, и двух пленочных поляризаторов /поляроидов/. Плоскости пропускания поляризаторов ориентированы под углом друг к другу. Магнитное поле создается постоянным магнитом и подбирается так, чтобы поворот плоскости поляризации стеклом составлял. Тогда на пути "вперед" вся система будет прозрачной, а на пути "назад" непрозрачной, т.е. она приобретает свойства оптического вентиля. ФНЭ предназначен для создания регулируемой разности фаз двух линейно поляризованных встречных волн. ФНЭ нашел применение в оптической гирометрии. Он состоит из пластинки магнитооптического стекла и двух пластинок, вносящих разность фаз и. Магнитное поле, как и в АНЭ создается постоянным магнитом. На пути "вперед" линейно поляризованная волна, прошедшая пластинку преобразуется в циркулярно поляризованную с правым вращением, затем проходит магнитооптическую пластинку с соответствующей скоростью и далее через вторую пластинку, после чего линейная поляризация восстанавливается. На пути "назад" получается левая поляризация и эта волна проходит магнитооптическую пластинку со скоростью, отличающейся от скорости правой волны, и далее преобразуется в линейно поляризованную. Введя ФНЭ в кольцевой лазер, мы обеспечиваем разность времен обхода контура встречными волнами и вытекающую отсюда разность их длин волн. эффект фарадей преломление

В непосредственной близости к собственной частоте осцилляторов эффект Фарадея описывается более сложными закономерностями. В уравнении движения осциллирующего электрона необходимо учитывать затухание

Необходимо отметить, что для циркулярно поляризованных волн, распространяющихся вдоль магнитного поля, дисперсионная кривая и спектральный контур линии поглощения имеют для данной среды тот же вид, что и при отсутствии магнитного поля, отличаясь только сдвигом по шкале частот на вправо для волны с положительным направлением вращения вектора и на влево - для волны с противоположным направлением вращения.

На рисунке 3 штриховыми линиями показаны графики функций и, а их разность - сплошной линией. Видно, что в окрестности дважды изменяется знак эффекта Фарадея: в интервале частот вблизи поворот направления поляризации происходит в отрицательную сторону, а вне этого интервала - в положительную. Однако следует иметь в виду, что в данном случае эффект не сводится только к повороту направления поляризации падающей волны. В окрестности существенно поглощение света, причем при данном значении коэффициенты затухания для циркулярно поляризованных составляющих падающей волны имеют разные значения (круговой дихроизм). Поэтому после прохождения через образец амплитуды этих составляющих не равны и при их сложении получается эллиптически поляризованный свет.

Важно сознавать, что в эффекте Фарадея магнитное поле влияет на состояние поляризации света лишь косвенно, изменяя характеристики среды, в которой распространяется свет. В вакууме магнитное поле никакого влияния на свет не оказывает.

Обычно угол поворота направления поляризации очень мал, но благодаря высокой чувствительности экспериментальных методов измерения состояния поляризации эффект Фарадея лежит в основе совершенных оптических методов определения атомных констант.

Заключение

Эффект Фарадея является одним из важнейших явлений в области физики, нашедший своё применение в практике и не затерявшийся в анналах истории. Без этого эффекта не могли быть сконструированы многие устройства, имеющие очень большое значение в современной жизни. К примеру, рассматриваемый эффект используется в лазерных гироскопах и другой лазерной измерительной технике и в системах связи. Кроме того, он применяется при создании ферритовых СВЧ-устройств. В частности на основе эффекта Фарадея строятся СВЧ-циркуляторы на круглом волноводе. Открытие этого явления позволило установить прямую связь между оптическими и электромагнитными явлениями. В эффекте Фарадея ярко проявляется специфич. характер вектора напряжённости магн. поля H (Н -- осевой вектор, «псевдовектор»). Знак угла поворота плоскости поляризации при эффекте Фарадея (в отличие от случая естественной оптической активности) не зависит от направления распространения света (по полю или против поля). Поэтому, многократное прохождение света через среду, помещённую в магнитное поле, приводит к возрастанию угла поворота плоскости поляризации в соответствующее число раз. Эта особенность эффекта Фарадея нашла применение при конструировании так называемых невзаимных оптических и радиомикроволновых устройств. Эффект Фарадея широко используется в научных исследованиях.

Список литературы

1. Калитиевский Н.И. Волновая оптика: Учебное пособие. 4-е изд., стер. - СПб.: Издательство «Лань», 2006. - 480 с.

2. Сивухин Д.В. Общий курс физики: Учеб. пособие для вузов. В 5 т. Т. IV. Оптика. - 3-е изд., стер. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 729 с.

3. Физическая энциклопедия. Т.2 / Л.И. Абалкин, И.В. Абашидзе, С.С. Аверинцев и др.; под ред. А.М. Прохорова - М.: Издательство «Советская энциклопедия», 1990. - С. 701-703.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Поворот плоскости поляризации света под действием магнитного поля. Характеристики оптических циркуляторов. Коэффициент отражения, использование эффекта Фарадея. Использование двулучепреломляющих элементов из кристалла рутила в качестве поляризаторов.

доклад , добавлен 13.07.2014


Развитие электродинамики до Фарадея. Работы Фарадея по постоянному току и его идеи о существовании электрического и магнитного полей. Вклад Фарадея в развитие электродинамики и электромагнетизма. Современный взгляд на электродинамику Фарадея-Максвелла.

дипломная работа , добавлен 21.10.2010


Детство и юность Майкла Фарадея. Начало работы в Королевском институте. Первые самостоятельные исследования М. Фарадея. Закон электромагнитной индукции, электролиз. Болезнь Фарадея, последние экспериментальные работы. Значение открытий М. Фарадея.

реферат , добавлен 07.06.2012


Понятие потенциометрического эффекта и его применение в технике. Эквивалентная схема потенциометрического устройства. Измерение физических величин на основе потенциометрического эффекта. Датчики, построенные на основании потенциометрического эффекта.

контрольная работа , добавлен 18.12.2010


Понятие и общая характеристика фотоупругого эффекта и его применение для получения картины распределения напряжения. Основные методы измерения физических величин: параметров светового излучения, давления и ускорения с помощью фотоупругого эффекта.

курсовая работа , добавлен 13.12.2010


Труды Фарадея по постоянному току. Исследование положений Фарадея о существовании и взаимном превращении электрического и магнитного полей. Модельное представление об электромагнитных процессах. Современный взгляд на электродинамику Фарадея и Максвелла.

дипломная работа , добавлен 28.10.2010


Открытие, объяснение эффекта Пельтье. Схема опыта для измерения тепла Пельтье. Использование полупроводниковых структур в термоэлектрических модулях. Структура модуля Пельтье. Внешний вид кулера с модулем Пельтье. Особенности эксплуатации модулей Пельтье.

курсовая работа , добавлен 08.11.2009


Волновые свойства света: дисперсия, интерференция, дифракция, поляризация. Опыт Юнга. Квантовые свойства света: фотоэффект, эффект Комптона. Закономерности теплового излучения тел, фотоэлектрического эффекта.

реферат , добавлен 30.10.2006


Объяснение эффекта Холла с помощью электронной теории. Эффект Холла в ферромагнетиках и полупроводниках. Датчик ЭДС Холла. Угол Холла. Постоянная Холла. Измерение эффекта Холла. Эффект Холла при примесной и собственной проводимости.

курсовая работа , добавлен 06.02.2007


Изучение электрооптического эффекта Керра. Методы экспериментального получения постоянной Керра. Теория полярных и неполярных молекул. Длительность существования и применение эффекта Керра. Механизм возникновения двойного преломления в переменных полях.