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. [1]
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
- ↑http://www.ebiblioteka.lt/resursai/Uzsienio%20leidiniai/Uspechi_Fiz_Nauk/1988/5/r885a.pdf
Эффект Фарадея
Эффект Фарадея — один из эффектов магнитооптики, заключающийся во вращении плоскости поляризации линейно поляризованного света, распространяющегося в веществе вдоль постоянного магнитного поля, в котором находится это вещество. Открыт Майклом Фарадеем (Michael Faraday, 1791–1867) в 1845 и явился первым доказательством прямой связи оптических и электромагнитных явлений.
Феноменологическое объяснение эффекта Фарадея заключается в том, что в общем случае намагниченное вещество нельзя охарактеризовать одним показателем преломления n. Под действием магнитного поля показатели преломления n+ и n— для циркулярно право- и левополяризованного света становятся различными. Вследствие этого при прохождении через среду вдоль магнитного поля право- и левополяризованные составляющие линейно поляризованного излучения 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 λ, прошедшего в среде путь l , поворачивается на угол В области не очень сильных магнитных полей разность (n+ — n—) линейно зависит от напряжённости магнитного поля и в общем виде угол фарадеевского вращения описывается соотношением q=VHl где константа V зависит от свойств вещества, длины волны излучения и температуры и наз. Верба постоянной.
Эффект Фарадея по своей природе тесно связан с эффектом Зеемана, обусловленным расщеплением уровней энергии атомов и молекул магнитным полем. При продольном относительно магнитного поля наблюдении спектральные компоненты зеемановского расщепления оказываются циркулярно поляризованными. Соответствующую циркулярную анизотропию обнаруживает и спектральный ход показателя преломления в области зеемановских переходов. Таким образом, в наиболее простом виде эффект Фарадея является следствием зеемановского расщепления кривых дисперсии показателя преломления для двух циркулярных поляризаций.
В эффекте Фарадея ярко проявляется специфический характер вектора напряжённости магнитного поля Н ( Н-осевой вектор, «псевдовектор»). Знак угла поворота плоскости поляризации при эффекте Фарадея в отличие от 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 невзаимных оптических и радиомикроволновых устройств (см. Невзаимные элементы). Эффект Фарадея широко используется в научных исследованиях.
Лит. см. при ст. Магнитооптика. В. С. Запасский.
Знаете ли Вы, что такое мысленный эксперимент, gedanken experiment?
Это несуществующая практика, потусторонний опыт, воображение того, чего нет на самом деле. Мысленные эксперименты подобны снам наяву. Они рождают чудовищ. В отличие от физического эксперимента, который является опытной проверкой гипотез, «мысленный эксперимент» фокуснически подменяет экспериментальную проверку желаемыми, не проверенными на практике выводами, манипулируя логикообразными построениями, реально нарушающими саму логику путем использования недоказанных посылок в качестве доказанных, то есть путем подмены. Таким образом, основной задачей заявителей «мысленных экспериментов» является обман слушателя или читателя путем замены настоящего физического эксперимента его «куклой» — фиктивными рассуждениями под честное слово без самой физической проверки.
Заполнение физики воображаемыми, «мысленными экспериментами» привело к возникновению абсурдной сюрреалистической, спутанно-запутанной картины мира. Настоящий исследователь должен отличать такие «фантики» от настоящих ценностей.
Релятивисты и позитивисты утверждают, что «мысленный эксперимент» весьма полезный интрумент для проверки теорий (также возникающих в нашем уме) на непротиворечивость. В этом они обманывают людей, так как любая проверка может осуществляться только независимым от объекта проверки источником. Сам заявитель гипотезы не может быть проверкой своего же заявления, так как причина самого этого заявления есть отсутствие видимых для заявителя противоречий в заявлении.
Это мы видим на примере СТО и ОТО, превратившихся в своеобразный вид религии, управляющей наукой и общественным мнением. Никакое количество фактов, противоречащих им, не может преодолеть формулу Эйнштейна: «Если факт не соответствует теории — измените факт» (В другом варианте » — Факт не соответствует теории? — Тем хуже для факта»).
Максимально, на что может претендовать «мысленный эксперимент» — это только на внутреннюю непротиворечивость гипотезы в рамках собственной, часто отнюдь не истинной логики заявителя. Соответсвие практике это не проверяет. Настоящая проверка может состояться только в действительном физическом эксперименте.
Эксперимент на то и эксперимент, что он есть не изощрение мысли, а проверка мысли. Непротиворечивая внутри себя мысль не может сама себя проверить. Это доказано Куртом Гёделем.
Понятие «мысленный эксперимент» придумано специально спекулянтами — релятивистами для шулерской подмены реальной проверки мысли на практике (эксперимента) своим «честным словом». Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.
ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ
В 1845 году Майкл Фарадей обнаружил, что линейно поляризованный свет, распространяющийся вдоль постоянного магнитного поля в веществе, испытывает вращение плоскости поляризации. Это открытие стало первым доказательством прямой связи оптических и электромагнитных явлений. Сам Фарадей писал: «Мне удалось намагнитить и наэлектризовать луч света и осветить магнитную силовую линию».
Эффект Фарадея объясняется тем, что оптические свойства намагниченного вещества нельзя охарактеризовать одним показателем преломления n. Под действием магнитного поля показатели преломления n + и n — для циркулярно право- и левополяризованного света становятся различными. Вследствие этого право- и левополяризованные составляющие линейно поляризованного света распространяются вдоль магнитного поля через вещество с разными фазовыми скоростями. Возникает разность их хода, линейно зависящая от длины пути. В результате плоскость поляризации монохроматического света с длиной волны l, прошедшего в среде путь l, поворачивается на угол θ = pl(n + — n—)/l. В слабых магнитных полях разность (n + -n—) линейно зависит от напряженности поля H и угол фарадеевского вращения описывается формулой θ = VHl, где V (постоянная Верде) зависит от длины световой волны, свойств вещества и его температуры.
Наиболее сильное вращение плоскости поляризации наблюдается в очень тонких прозрачных слоях ферромагнетиков.
См. в номере на ту же тему
В чем заключается эффект фарадея
Эффект Фарадея является представителем обширного класса маг-
нитооптических явлений, возникающих в кристалле при наложении
внешнего магнитного поля, которые могут быть условно разделены на две
группы. Первая группа связана с расщеплением локальных энергетиче —
ских уровней экситонов, примесей и др. К этой группе относятся явле —
ния : Зеемана (расщепление линий поглощения и их поляризация), Фох —
та Коттона-Мутона ( двулучепреломление вблизи линии поглощения), Маккалюзо —
Корбино (вращение плоскости поляризации вблизи линии поглощения).
Важнейший представитель данной группы — эффект Зеемана широко
Один из множества эффектов в магнитооптике.
Намагниченное вещество в общем случае уже нельзя охарактеризовать единым показателем преломления. Волновое объяснение этого эффекта приводит к принятию формального постулата о расщеплении волны на две составляющие? : правую и левую поляризованную по кругу волны. Они, дескать, распространяются в среде априори с разными фазовыми скоростями и приобретают разность хода, линейно зависимую от оптической длины пути. В результате плоскость поляризации монохроматического света поворачивается на угол ф = p l ( n+-n -)/ l l= длина пути луча в веществе.
Разность n+-n-, в области слабых полей линейно зависит от напряженности
ф =VHl
V — коэфф , зависящий от вещества, длины волны и температуры — Верде постоянная
Эффект, считает официальная наука, может быть объяснен только на основе строгого квантового механического подхода. Этот подход, одновременно заявляя о постоянстве скорости света любой частоты в вакууме, допускает, что в веществе скорость света различных частот различна. При этом и вакуум, и скорость света считаются абсолютными понятиями. То есть вакуум, неизвестно какой степени разряжения. Просто вакуум. Так вот квантовая механика заявляет, что в веществе, грубо говоря, различие в скоростях распространения право и лево поляризованных по кругу волн вызывает неадекватное расщепление света на подуровни
Многократное прохождение света через среду в магнитном поле приводит к возрастанию угла поворота плоскости поляризации в соответствующее число раз.
А что как свет завинчивается просто на кристалле.
Циркуляторы гираторы фазовращатели
Если линейно-поляризованный свет проходит через вещество помещенное в магнитное поле, вектор напряженности которого совпадает с напряжением распространения света, то плоскость поляризации света поворачивается на некоторый угол. Этот угол пропорционален длине пути света в веществе и напряженности поля, и обратно пропорционален квадрату длины волны. Зависит он от свойств вещества. Так, он сильно изменяется вблизи линий поглощения данного вещества. Особенно сильный эффект наблюдается в тонких прозрачных пленках железа, никеля и кобальта. При прохождении света в прямом и обратном направлении углы поворота вследствии эффекта Фарадея не компенсируются, а суммируются, в отличии от естественного вращения поляризации в некоторых веществах. Диамагнетики в магнитном поле всегда обнаруживают положительное вращение (т.е. вращение по часовой стрелке, если смотреть по направлению поля), пара и ферромагнетики - отрицательные.
А.с. 491 916: Позиционно-чувствительный датчик с магнитооптической модуляцией, содержащий поляризатор, анализатор и ячейку Фарадея, отличающийся тем, что с целью повышения чувствительности, магнитооптический активный элемент ячейки Фарадея выполнен из составных двух частей, например, призм с противоположным по знаку постоянными Верде, расположенных в
симметрично относительно оптической оси системы.
Природа эффекта объясняется различным влиянием магнитного поля на скорость распространения в веществе право циркулярно и лево циркулярно поляризованных световых волн, в результате чего между ними накапливается разность фаз, приводящая при их сложении к возникновению волн с повернутой плоскостью поляризации.
Как обычно, возможные применения вытекают из физической сущности эффекта; управление поворотом плоскости поляризации с помощью магнитного поля или же измерение магнитных полей по углу поворота плоскости поляризации.
А.с. 412 698: Оптический квантовый генератор, содержащий задающий генератор, оптический квантовый усилитель и установленные между ними согласующее устройство, отличающееся тем, что с целью улучшения однородности пучка без уменьшения его мощности, согласующее устройство выполнено в виде расположенного между двумя поляризаторами элемента, обладающего измеряющейся
по радиусу вращательной способностью.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве названного элемента использован вращатель Фарадея, выполненный в виде цилиндра из свинцового стекла установленного в соленоиде.
А.с. 479 147: Устройство магнитооптического воспроизведения информации с магнитного носителя, содержащее источник плоскополяризованного света, анализатор, фотоприемник и магнитную головку, отличающееся тем, что с целью повышения чувствительности, его магнитная головка снабжена магнитооптическим
Кристаллом, установленным на участке заднего зазора, расположенным на одной линии между источником плоскополяризованного света и анализатором пучка этого света.
Часто эффект Фарадея используют для создания невзаимных элементов т.е. устройств, пропускающих излучение только в определенном направлении.
Оптический вентиль состоит из двух поляризаторов, скрещенных под углом 45 градусов и элемента Фарадея, помещенного между ними. Элемент рассчитан так, что вращая плоскость поляризации света на 45 градусов, и свет проходит через второй поляризатор. Луч, идущий в обратном направлении, вращается в ту же сторону, что и прямой луч и оказывается повернутым на 90 градусов относительно первого поляризатора, и значит не пропускается им. В частности такие вентили используют в лазерах бегущей волны и в оптических усилителях.
В фазовращателей и которые практически прозрачны для электромагнитных волн этого диапазона (дици-санти и миллиметровые радиоволны).
Существует и так называемый обратный эффект Фарадея - возникновение в среде магнитного поля под действием мощного циркулярнополяризованного света, вызывающего циркулярное движение электронов.
Частным случаем эффекта Фарадея является магнитооптический эффект Керра - при отражении под любым углом, в том числе и по нормали к поверхности, линейнополяризованного света от намагниченного ферромагнетика возникает эллиптически поляризованный свет. Фактически, магнитооптический эффект Керра - это вращение плоскости поляризации части излучения в тонком поверхностном слое ферромагнетика в магнитном поле.
Магнитооптическая установка для автоматической записи магнитных характеристик ферромагнетика, в которой использование магнитооптического эффекта Керра позволяет снимать кривые намагничивания и гистерезиса на участках поверхности размером 1
мк
При распространении света в веществе перпендикулярно магнитному полю возникает двойное лучепреломление, величина которого пропорциональна квадрату напряженности магнитного поля. (
Наложение сильного магнитного поля ориентирует хаотически расположенные молекулы (если последние имеют постоянный магнитный момент), что и приводит к оптической анизотропии. Этот эффект много слабее, чем электрооптических эффект Керра, а в технике применяется редко.
Механизм всех магнитооптических явлений тесно связан с механизмом прямого и обращенного эффекта Зеемана.
В заключении отметим, что механизм эффекта Фарадея, по
сути дела, обусловлен обращенным эффектом Зеемана. Им же обь-
сняется избирательное поглощение радиоволн парамагнитными те-
лами, помещенными в магнитное поле (см. "Электронный парамаг-
нитный резонанс")
Продольный магнитооптический эффект Фарадея.
1. 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 . н аш 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».
2. 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
3. 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
4. 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.
5. В непосредственной близости к собственной частоте осцилля —
торов эффект Фарадея описывается более сложными закономерностями. В уравнении движения осциллирующего электрона не-
обходимо 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.