Эфект Фарадэя

Кручэнне плоскасці палярызацыі святла за кошт эфекту Фарадэя

Эфект Фарадэя (падоўжны электрааптычны эфект Фарадэя) — магнітааптычны эфект, які заключаецца ў тым, што пры распаўсюджанні лінейна палярызаванага святла праз аптычна неактыўнае рэчыва, якое знаходзіцца ў магнітным полі, назіраецца кручэнне плоскасці палярызацыі святла. Тэарэтычна, эфект Фарадэя можа выяўляцца і ў вакууме ў магнітных палях парадку 10¹¹−10¹² Гс.

Фенаменалагічнае тлумачэнне

Лінейна палярызаванае выпраменьванне, якое праходзіць праз ізатропнае асяроддзе, заўсёды можа быць прадстаўлена як суперпазіцыя дзвюх права- і левапалярызаваных хваль з процілеглым напрамкам кручэння. У вонкавым магнітным полі паказчыкі пераламлення для цыркулярна права- і левапалярызаванага святла становяцца рознымі ($n_{+}$ і $n_{-}$). З прычыны гэтага, пры праходжанні праз асяроддзе (уздоўж сілавых ліній магнітнага поля) лінейна палярызаванага выпраменьвання яго цыркулярна лева- і правапалярызаваныя складнікі распаўсюджваюцца з рознымі фазавымі скарасцямі, набываючы рознасць ходу, якая лінейна залежыць ад аптычнай даўжыні шляху. У выніку плоскасць палярызацыі лінейна палярызаванага монахраматычнага святла з даўжынёй хвалі $\lambda$, якое прайшло у асяроддзі шлях $l$, паварочваецца на вугал

$\mathrm{\Theta }=\frac{\pi l(n_{+}-n_{-})}{\lambda }.$

У вобласці не вельмі моцных магнітных палёў рознасць $n_{+}-n_{-}$ лінейна залежыць ад напружанасці магнітнага поля, і ў агульным выглядзе вугал фарадэеўскага кручэння апісваецца суадносінамі

$\mathrm{\Theta }=\nu Hl,$

дзе $\nu$ — пастаянная Вердэ, каэфіцыент прапарцыянальнасці, які залежыць ад уласцівасцей рэчыва, даўжыні хвалі выпраменьвання і тэмпературы.

Элементарнае тлумачэнне

Эфект Фарадэя цесна звязаны з эфектам Зеемана, які заключаецца ў расшчапленні узроўняў энергіі атамаў ў магнітным полі. Пры гэтым пераходы паміж расшчэпленымі ўзроўнямі адбываюцца з выпусканнем фатонаў правай і левай палярызацыі, што прыводзіць да розных паказчыкаў праламлення і каэфіцыентаў паглынання для хваль рознай палярызацыі. Груба кажучы, адрозненне скарасцей розна палярызаваных хваль абумоўлена адрозненнем даўжынь хваль паглынутага і перавыпрамененага фатонаў.

Строгае апісанне эфекту Фарадэя праводзіцца ў рамках квантавай механікі.

Прымяненне эфекту

Выкарыстоўваецца ў лазерных гіраскопах і іншай лазернай вымяральнай тэхніцы і ў сістэмах сувязі.

Гісторыя

Дадзены эфект быў знойдзены М. Фарадэям у 1845 годзе.

Першапачатковае тлумачэнне эфекту Фарадэя даў Д. Максвел ў сваёй працы «Выбраныя творы па тэорыі электрамагнітнага поля», дзе ён разглядае круцільную прыроду магнетызму. Абапіраючыся ў тым ліку на працы прафесара У. Томсана, які падкрэсліваў, што прычынай магнітнага дзеяння на святло павінна быць рэальнае (а не ўяўнае) кручэнне ў магнітным полі, Максвел разглядае намагнічанае асяроддзе як сукупнасць «малекулярных магнітных віхраў». Тэорыя, якая лічыць электрычныя токі лінейнымі, а магнітныя сілы круцільнымі з’явамі, не супярэчыць у гэтым сэнсе тэорыям Ампера і Вебера. Даследаванне, праведзенае Д. К. Максвелам прыводзіць да высновы, што адзінае дзеянне, якое кручэнне віхраў аказвае на святло, заключаецца ў тым, што плоскасць палярызацыі пачынае круціцца ў тым жа кірунку, што і віхры, на вугал, прапарцыянальны:

• таўшчыні рэчыва,
• складнікам магнітнай сілы, паралельнай прамяню,
• паказчыку пераламлення прамяня,
• адваротна прапарцыянальны квадрату даўжыні хвалі ў паветры,
• сярэдняму радыусу магнітных віхраў,
• ёмістасці магнітнай індукцыі (магнітнай пранікальнасці).

Усе палажэнні «тэорыі малекулярных віхраў» Д. Максвел даказвае матэматычна строга, маючы на ўвазе, што ўсе з’явы прыроды ў глыбіннай сутнасці сваёй аналагічныя, і дзейнічаюць падобным чынам.

Многія палажэнні дадзенай працы былі пасля забытыя або не зразуметыя (напрыклад, Герцам), аднак вядомыя на сённяшні дзень ураўненні для электрамагнітнага поля выведзеныя былі Д. Максвелам з лагічных пасылак названай тэорыі.

Аўстрыйскі фізік-тэарэтык Л. Больцман у заўвагах да працы Д. Максвела адгукаўся наступным чынам:

Я мог бы сказаць, што паслядоўнікі Максвела ў гэтых ураўненнях, мабыць, нічога акрамя літар не памянялі … Вынікі перакладзенага тут цыкла работ, такім чынам, павінны быць прылічаны да найважнейшых дасягненняў фізічнай тэорыі