User:Pauljaakson/sandbox

Faraday efekt füüsikas. Faraday efekt on magneto-optiline efekt mis ilmneb valguse ja magnetvälja vastasmõjus aines. Täpsemalt loetakse Faraday efektiks lineaarlselt polariseeritud valguse polarisatsioonitasandi pöördumist valguse levimise suunas mõjuva magnetvälja toimel. Nähtus avastati aastal 1845 Michael Faraday poolt, kes täheldas valguse polarisatsioonitasandi pöördumist klaasi läbimisel. Klaasile oli rakendatud tugev magnetväli. Elektromagnetkiirguse teoreetilise baasi täiendas James Clerk Maxwell 1860-1870 aastatel. Faraday efekt ilmneb enamustes optiliselt läbipaistvates materjalides (kaasaarvatud vedelikes), millele on rakendatud magnetväli.

Ajalugu

Faraday hoidmas käes klaasist pulka, millega demonstreeris valguse polarisatsioonitasandi pöördumist

1845. aastaks oli Fresneli, Malus‘ jt töö läbi teada, et õige orientatsiooni korral on erinevad materjalid suutelised valguse polarisatsiooni suunda muutma, tehes polariseeritud valgusest võimsa tööriista läbipaistvate materjalide omaduste uurimiseks. Faraday oli veendunud, et valgus on elektromagnetiline nähtus ning peaks seetõttu olema mõjutatav elektromagentiliste jõududega. Ta otsis tõendeid valguse polarisatsiooni mõjutavate elektriliste jõudude kohta, alustades elektrolüütide lagundamisest. Tema eksperimentaalmeetodid polnud aga piisavalt tundlikud ning elektrivälja efekti valgusele suutis mõõta John Kerr alles 30 aastat hiljem.

Faraday püüdis näha, kuidas magnetvälja rakendamine mõjutab seda, kuidas valgus erinevaid materjale läbib. Mitmete ebaõnnestunud katsete järel sattus ta katsetama pliid sisaldava tiheda klaasi tükki. Ta avastas, et kui polariseeritud valguse kiir läbis klaasi rakendatud magnetvälja suunas, muutus polariseeritud valguse nurk proportsionaalselt jõu suurusega. Hiljem taastootis ta tugevamaid elektromagneteid kasutades sama efekti mitmetes teistes tahketes, vedelates ja gaasilistes ainetes. Vestluse lõpp

Füüsikaline selgitus

Lineaarselt polariseeritud valgust, mis Faraday efekti tõttu pöördub, on võimalik vaadelda kui parem- ja vasakpidise ringpolariseeritud valguse superpositsiooni. Ringpolariseeritud komponente eraldi analüüsides on võimalik selgitada Faraday efekti põhjust. Ringpolariseeritud valguses pöörleb elektriväli valguse sagedusega. Pöörlevad nii parem- kui ka vasakpidine komponent (pöörlemine toimub vastassuunas). Valguse levimisel materjalis põhjustab pidevalt muutuv elektriväli jõudu, mis mõjub laetud osakestele. (Lorentzi jõud) Eelkõige mõjutab jõud elektrone. Elektronid hakkavad jõu mõjul samuti ringjooneliselt liikuma põhjustades lisaks välisele rakendatud magnetväljale veel laetud osakese liikumisest tingitud magnetvälja. Parem- ja vasakpidisest ringpolariseeritud valgusest tekkinud jõud elektronidele on samuti vastassuunaline ja seetõttu on vastassuunaline ka elektronide liikumise poolt tekitatud magnetväli. Elektronide tekitatud väli on paralleelne välise magnetväljaga, kuid ühel juhul mõjub välise väljaga vastassuunas. Seega on summaarne magnetväli ühel ringpolariseeritud valgusekomponendi jaoks võimendatud ja teise jaoks nõrgendatud. Sellest tulenevalt on erinevate valguskomponentide levikukiirused optilises keskkonnas erinevad ning kui valgused materjalitüki läbides superpositsiooniprintsiipi rakendades jälle kokku liita on tulemuseks lineaarselt polariseeritud valgus, kuid pöördunud polarisatsioonitasandiga.

Suhe polarisatsioonitasandi pöördumise ning rakendatud välise magnetvälja on :

Faraday efektist tingitud polarisatsioonitasandi pöördumine

$\beta ={\mathcal {V}}Bd$,

kus

β polarisatsioonitasandi pöördenurk(radiaanides)

B valguse leviku sihiline magnetväljatugevus (teslades)

d optiline teepikkus materjalis (meetrites), kus valgus ja magnetväli kokku puutuvad

$\scriptstyle {\mathcal {V}}$ on materjali Verdet konstant. Empiiriliselt tuletatud võrdetegur (ükikuks radiaani tesla ja meetri kohta) sõltub tugevalt temperatuurist ja valguse lainepikkusest ning on enamus materjalide jaoks tabuleeritud.

Kokkuleppeliselt vastab Positiivne Verdet konstant l-pöördele (vastupäeva) juhul kui valguse levimissuund on paralleelne magnetväljaga ning d-pöördele (päripäeva) kui valgus levib välise magnetväljaga anti-paraleelselt.

Põhjalik matemaatiline selgitus

Rakendused

Faraday efektil põhinevad mitmed kasutustleidvad rakendused.

• Efekti kasutatakse näiteks süsivesinike segude analüüsimiseks. Iga komponent omab karakteerset Verdet konstanti ning seega on tulemused kooskõlas analüüsitava segu komponentide sisaldusega.
• Faraday efekti kasutatakse ka spektroskoopilistes uuringutes energiatasemete omaduste uurimiseks põhitasemest kõrgematel energiatel.
• Faraday efekti kasutatakse ära ka optiliste modulaatorite valmistamiseks. Näiteks infrapunase kiirguses töötavad sünteetilisest mineraalist - YIG’st (lisandina kasutatakse galliumit) modulaatorid, kus kasutatakse Faraday efekti valgusega signaali edastamiseks. Modulaatoris konverteeritakse moduleeriv pinge valguse amplituudu muutuseks.