Efect Faraday

În fizică, efectul Faraday sau rotația Faraday este un fenomen magneto-optic sau o interacțiune între lumină și câmp magnetic . Rotația planului de polarizare este proporțională cu intensitatea componentei câmpului magnetic în direcția fasciculului de lumină.

Efectul Faraday, un tip de efect magneto-optic, descoperit în 1845 de chimistul și fizicianul Michael Faraday , a fost prima dovadă experimentală că lumina și magnetismul sunt legate. Baza teoretică a acestei relații a fost dezvoltată în perioada 1860/1870 de James Clerk Maxwell și a fost denumită radiație electromagnetică.

Acest efect este prezent în majoritatea materialelor dielectrice transparente (inclusiv lichide) atunci când sunt supuse câmpurilor magnetice intense. Efectul Faraday este rezultatul unei rezonanțe feromagnetice atunci când permeabilitatea sau constanta magnetică a unei substanțe este reprezentată de un tensor . Această rezonanță face ca undele să se descompună în două raze polarizate circular invers care se propagă la viteze diferite, o proprietate cunoscută sub numele de birefringență circulară. Se poate considera că razele se recombină pe măsură ce apar din mediu, totuși, datorită diferenței de viteză de propagare, o fac cu o diferență de fază ascuțită, ceea ce duce la o rotație a unghiului planului de polarizare liniară.

Există câteva aplicații ale rotației Faraday în instrumentele de măsurare. De exemplu, efectul Faraday a fost utilizat pentru a măsura puterea de rotație optică a substanțelor, pentru modularea amplitudinii luminii și pentru senzorii de la distanță ai câmpurilor magnetice.

Relația dintre unghiul de rotație al planului de polarizare și câmpul magnetic într-un material diamagnetic este

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

in care:

β este unghiul de rotație
B este densitatea fluxului magnetic în direcția propagării luminii (în tesla)
d este lungimea secțiunii (în metri) în care interacționează lumina și câmpul magnetic
${\mathcal {V}}$ ${\ displaystyle {\ mathcal {V}}}$ ${\ mathcal {V}}$ este constanta Verdet a materialului. Această constantă empirică de proporționalitate (în unități de radiani per tesla pe metru) variază în funcție de lungimea de undă a luminii și de temperatură și este tabelată pentru diverse materiale.

O constantă Verdet pozitivă corespunde unei rotații la stânga (în sens invers acelor de ceasornic) atunci când direcția de propagare este paralelă cu câmpul magnetic și o rotație la dreapta (în sensul acelor de ceasornic) când direcția de propagare este antiparalelă. Prin urmare, dacă un fascicul de lumină a trecut printr-un material și, când este reflectat înapoi, îl traversează din nou, rotația este dublată.

Unele materiale, cum ar fi granatul de terbiu galiu (un tip de granat sintetic cu formula Tb ₃ Ga ₅ O _12. ^[1] ) sunt caracterizate de constante de verdet extrem de ridicate (≈-40 rad $T^{-1}$ ${\ displaystyle T ^ {- 1}}$ $T ^ {{- 1}}$ $m^{-1}$ ${\ displaystyle m ^ {- 1}}$ ${\ displaystyle m ^ {- 1}}$ ). Prin plasarea unei tije din acest material într-un câmp magnetic intens, se pot obține unghiuri de rotație Faraday de peste 0,78 rad (45 °). Acest lucru permite construirea rotatoarelor Faraday, care sunt componenta principală a izolatoarelor Faraday, dispozitive care transmit lumina într-o singură direcție.

Izolatori similari sunt produși pentru sistemele cu microunde prin utilizarea tijelor de ferită într-un ghid de undă cu un câmp magnetic înconjurător.

Rotația lui Faraday în mediul interstelar

Efectul Faraday este impus luminii de-a lungul cursului său de propagare de la originea sa către Pământ, din mediul cosmic. Aici, efectul este cauzat de electroni liberi și poate fi caracterizat prin diferența de indici de refracție experimentată de cele două moduri de propagare polarizate circular. Prin urmare, spre deosebire de efectul Faraday din solide și lichide, rotația Faraday în spațiul cosmic depinde pur și simplu de lungimea de undă a luminii ( λ ) și precis

$\beta =\mathrm {RM} \lambda ^{2}$ ${\ displaystyle \ beta = \ mathrm {RM} \ lambda ^ {2}}$ ${\ displaystyle \ beta = \ mathrm {RM} \ lambda ^ {2}}$

în care valoarea generală a efectului este caracterizată de RM, măsură a dispersiei unghiulare. La rândul său, aceasta este legată de B și de densitatea electronilor, $n_{e}$ ${\ displaystyle n_ {e}}$ $nici$ , ambele putând varia de-a lungul căii de propagare

$\mathrm {RM} ={\frac {e^{3}}{2\pi m^{2}c^{4}}}\int _{0}^{d}n_{e}Bdl$ ${\ displaystyle \ mathrm {RM} = {\ frac {e ^ {3}} {2 \ pi m ^ {2} c ^ {4}}} \ int _ {0} ^ {d} n_ {e} Bdl }$ ${\ displaystyle \ mathrm {RM} = {\ frac {e ^ {3}} {2 \ pi m ^ {2} c ^ {4}}} \ int _ {0} ^ {d} n_ {e} Bdl }$

in care

e este sarcina unui electron

m este masa unui electron

c este viteza luminii în vid.

Rotația lui Faraday este un instrument foarte important în astronomie pentru măsurarea câmpurilor magnetice , care poate fi estimat din măsurarea rotației, dacă se cunoaște densitatea electronilor . În cazul surselor de impulsuri radio ( pulsare ), dispersia cauzată de acești electroni are ca rezultat o întârziere între impulsurile primite la diferite lungimi de undă , care pot fi măsurate în termeni de densitate a electronilor în spațiu sau măsură de dispersie.

O măsurare atât a măsurării dispersiei sau a diferenței de indici de refracție, cât și a măsurării dispersiei rotaționale, variația unghiului de rotație al planului de polarizare în funcție de lungimea de undă, permite determinarea mediei ponderate a intensității magnetice câmp de-a lungul căii optice. Aceleași informații pot fi obținute din alte obiecte decât pulsarii, dacă măsurarea dispersiei poate fi estimată pe baza unor presupuneri rezonabile despre lungimea căii de propagare și densitățile tipice de electroni.

Undele radio care trec prin ionosferă sunt, de asemenea, supuse rotației lui Faraday; după cum indică ecuația anterioară, efectul este proporțional cu pătratul lungimii de undă. La 435 MHz ( UHF ), ar trebui să se aștepte aproximativ 1,5 rotații ale rotației frontului de undă pe măsură ce trece prin ionosferă, în timp ce la 1,2 GHz este probabil o rotație de un sfert de rotație.