ФАРАДEЯ ЭФФЕКТ

Фарадеевский эффект • ru.knowledgr.com

ФАРАДEЯ ЭФФЕКТ

В физике, эффекте Фарадея или вращении Фарадея оптическое магнето явление – то есть, взаимодействие между светом и магнитным полем в среде.

Эффект Фарадея вызывает вращение плоскости поляризации, которая линейно пропорциональна компоненту магнитного поля в направлении распространения.

Формально, это – особый случай gyroelectromagnetism, полученного, когда диэлектрический тензор диэлектрической постоянной диагональный.

Обнаруженный Майклом Фарадеем в 1845, эффект Фарадея был первыми экспериментальными данными, что свет и электромагнетизм связаны.

Теоретическое основание электромагнитной радиации (который включает видимый свет) было закончено Джеймсом Клерком Максвеллом в 1860-х и 1870-х.

Этот эффект происходит в наиболее оптически прозрачных диэлектрических материалах (включая жидкости) под влиянием магнитных полей.

Эффект Фарадея вызван левыми и правыми циркулярными поляризованными волнами, размножающимися на немного отличающихся скоростях, собственность, известная как круглое двупреломление.

Так как линейная поляризация может анализироваться в суперположение двух равных амплитуд циркулярные поляризованные компоненты противоположной рукости и различной фазы, эффект относительного изменения фазы, вызванного эффектом Фарадея, состоит в том, чтобы вращать ориентацию линейной поляризации волны.

У

Фарадеевского эффекта есть несколько применений в измерительных приборах. Например, Фарадеевский эффект использовался, чтобы измерить оптическую вращательную власть и для дистанционного зондирования магнитных полей.

Фарадеевский эффект используется в spintronics исследовании, чтобы изучить поляризацию электронных вращений в полупроводниках.

Фарадеевские вращающие устройства могут использоваться для модуляции амплитуды света и являются основанием оптических изоляторов и оптических шарлатанов; такие компоненты требуются в оптических телекоммуникациях и других лазерных заявлениях.

История

К 1845 это было известно посредством работы Френели, Малюс и другие, которых различные материалы в состоянии изменить направление поляризации света, когда соответственно ориентировано, делая поляризованным, освещают очень мощный инструмент, чтобы исследовать свойства прозрачных материалов.

Фарадей твердо полагал, что свет был электромагнитным явлением, и как таковой должен быть затронут электромагнитными силами. Он потратил значительное усилие, ища доказательства электрических сил, затрагивающих поляризацию света, (через то, что теперь известно как электрооптические эффекты), начинающийся с разлагающихся электролитов.

Однако его экспериментальные методы не были достаточно чувствительны, и эффект был только измерен тридцать лет спустя Джоном Керром.

Фарадей тогда попытался искать эффекты магнитных сил на свету, проходящем через различные вещества. После нескольких неудачных испытаний он, оказалось, проверил кусок «тяжелого» стекла, содержа следы лидерства, которое он сделал во время своей более ранней работы над стеклянным производством.

Фарадей заметил что, когда луч поляризованного света прошел через стакан в направлении прикладной магнитной силы, поляризации света, вращаемого углом, который был пропорционален силе силы.

Он позже смог воспроизвести эффект в нескольких других твердых частицах, жидкостях и газах, обеспечив более сильные электромагниты.

Открытие хорошо зарегистрировано в ежедневный ноутбук Фарадея, который был с тех пор издан. 13 сентября 1845, в параграфе #7504, под рубрикой Тяжелое Стекло, он написал:

Он суммировал результаты своих экспериментов 30 сентября 1845, в параграфе #7718, классно сочиняя:

Физическая Интерпретация Фарадеевского эффекта

Линейный поляризованный свет, который, как замечается, вращается в эффекте Фарадея, может быть замечен как состоящий из суперположения права – и лево-циркулярный поляризованный луч (этот принцип суперположения – фундаментальное во многих отраслях физики). Мы можем смотреть на эффекты каждого компонента (право – или оставленный поляризованный) отдельно и видеть, какой эффект это имеет на результат.

В циркулярном поляризованном свете направление электрического поля вращается в частоте света, или по часовой стрелке или против часовой стрелки. В материале это электрическое поле вызывает силу на заряженных частицах, включающих материал (из-за их легкой массы, электроны наиболее в большой степени затронуты).

Затронутое движение будет круглым, и циркулярные движущиеся обвинения создадут свою собственную (магнитную) область в дополнение к внешнему магнитному полю.

Таким образом будет два различных случая, созданная область будет параллельна внешней области для одной (круглой) поляризации, и в противостоящем направлении для другого направления поляризации – таким образом, чистая область B увеличена в одном направлении и уменьшена в противоположном направлении.

Это изменяет динамику взаимодействия для каждого луча, и один из лучей будет замедлен больше, чем другой, вызывая разность фаз между лево-и поляризованным правом лучом. Когда Вы добавляете два луча после того, как это изменение фазы, результатом будет снова линейно поляризованный луч, но с вращением в направлении поляризации.

Направление вращения поляризации зависит от свойств материала, через который сияется свет. Полное лечение должно было бы принять во внимание эффект внешних и вызванных радиацией областей на волновой функции электронов, и затем вычислить эффект этого изменения на показателе преломления материала для каждой поляризации, чтобы видеть, замедлено ли право – или левая круговая поляризация больше.

Математическая формулировка

Формально, магнитную проходимость рассматривают как недиагональный тензор, как выражено уравнением:

:

\mu_ {1} &-i \mu_ {2} & 0 \\

я \mu_ {2} & \mu_ {1} & 0 \\

0 & 0 & \mu_ {z} \\

Отношение между углом вращения поляризации и магнитным полем в прозрачном материале:

:

где

:β – угол вращения (в радианах)

:B – плотность магнитного потока в направлении распространения (в тесла)

:d – длина пути (в метрах), где легкое и магнитное поле взаимодействует

: Verdet, постоянный для материала. Эта эмпирическая постоянная пропорциональность (в единицах радианов за тесла за метр) меняется в зависимости от длины волны и температуры и сведена в таблицу для различных материалов.

Уверенный постоянный Verdet соответствует L-вращению (против часовой стрелки), когда направление распространения параллельно магнитному полю и R-вращению (по часовой стрелке), когда направление распространения антипараллельно. Таким образом, если луч света передан через материал и размышлял назад через него, вращение удваивается.

У

некоторых материалов, таких как гранат галлия terbium (TGG) есть чрезвычайно высокие константы Verdet (≈ −134 радиус T m) (для света на 632 нм). Помещая прут этого материала в сильном магнитном поле, углы вращения Фарадея более чем 0,78 радиусов (45 °) могут быть достигнуты.

Это позволяет строительство вращающих устройств Фарадея, которые являются основным компонентом изоляторов Фарадея, устройств, которые пропускают свет только в одном направлении.

Эффект Фарадея может, однако, наблюдаться и измеряться в Terbium-легированном стакане с Verdet, постоянным настолько же низко как (≈ −20 радиус T m) (для света на 632 нм).

Подобные изоляторы построены для микроволновых систем при помощи ферритовых прутов в волноводе с окружающим магнитным полем.

Полное математическое описание может быть найдено здесь

Фарадеевское вращение в межзвездной среде

Эффект наложен на свет в течение его распространения от его происхождения до Земли через межзвездную среду.

Здесь, эффект вызван свободными электронами и может быть характеризован как различие в показателе преломления, замеченном двумя циркулярными поляризованными способами распространения.

Следовательно, в отличие от эффекта Фарадея в твердых частицах или жидкостях, у межзвездного вращения Фарадея есть простая зависимость от длины волны света (λ), а именно:

:

где полная сила эффекта характеризуется RM, мерой по вращению. Это в свою очередь зависит от осевого компонента межзвездного магнитного поля B и плотности числа электронов n, оба из которых варьируются вдоль пути распространения. В Гауссовских cgs единицах мерой по вращению дают:

:

или в единицах СИ:

:

(2,62 \times 10 {-13 }\\, T {-1}) \, \int_0d n_e (s) B _ (s) \; \mathrm {d} s

где

:n (s) является плотностью электронов в каждом пункте s вдоль пути

:B (s) является компонентом межзвездного магнитного поля в направлении распространения в каждом пункте s вдоль пути

:e – обвинение электрона;

:c – скорость света в вакууме;

:m – масса электрона;

:' вакуумная диэлектрическая постоянная;

Интеграл взят по всему пути от источника до наблюдателя.

Фарадеевское вращение – важный инструмент в астрономии для измерения магнитных полей, которые могут быть оценены от мер по вращению, данных знание электронной плотности числа.

В случае радио-пульсаров дисперсия, вызванная этими электронами, приводит к временной задержке между пульсом, полученным в различных длинах волны, которые могут быть измерены с точки зрения электронной плотности колонки или меры по дисперсии.

Измерение и меры по дисперсии и меры по вращению поэтому приводит к взвешенному среднему из магнитного поля вдоль угла обзора. Та же самая информация может быть получена из объектов кроме пульсаров, если мера по дисперсии может быть оценена основанная на разумных предположениях о длине пути распространения и типичной электронной плотности.

В частности Фарадеевские измерения вращения поляризованных радио-сигналов из внегалактических радио-источников occulted солнечной короной могут использоваться, чтобы оценить и распределение электронной плотности и направление и силу магнитного поля в плазме кроны.

Фарадеевское вращение в ионосфере

Радиоволны, проходящие через ионосферу Земли, аналогично подвергаются эффекту Фарадея. Ионосфера состоит из плазмы, содержащей свободные электроны, которые способствуют вращению Фарадея согласно вышеупомянутому уравнению, тогда как положительные ионы относительно крупные и имеют мало влияния. Вместе с магнитным полем земли таким образом происходит вращение поляризации радиоволн.

Так как плотность электронов в ионосфере варьируется значительно ежедневно, а также по циклу солнечной активности, величина эффекта варьируется. Однако, эффект всегда пропорционален квадрату длины волны, поэтому даже в частоте телевидения УВЧ 500 МГц (λ = 60 см), могут быть больше, чем полное вращение оси поляризации.

Последствие – то, что, хотя большая часть радио, передающего антенны, или вертикально или горизонтально поляризованы, поляризация сигнала средней или короткой волны после того, как отражение ионосферой довольно непредсказуемо.

Однако, эффект Фарадея из-за свободных электронов уменьшается быстро в более высоких частотах (более короткие длины волны) так, чтобы в микроволновых частотах, используемых спутниковой связью, переданная поляризация сохранялась между спутником и землей.

Фарадеевское вращение полупроводников

Из-за сцепления орбиты вращения, нелегированный GaAs единственный кристалл показывает намного большее вращение Фарадея, чем стекло (SiO). Рассмотрение атомной договоренности отличается вперед (100) и (110) самолет, можно было бы думать, что вращение Фарадея – иждивенец поляризации.

Однако экспериментальная работа показала неизмеримую анизотропию в диапазоне длины волны от 880-1 600 нм. Основанный на большом вращении Фарадея, можно было бы быть в состоянии использовать GaAs, чтобы калибровать область B электромагнитной волны терагерца, которая требует очень быстрого времени отклика.

Вокруг ширины запрещенной зоны эффект Фарадея показывает поведение резонанса.

Более широко (ферромагнитные) полупроводники возвращают и электро-циркуляцию и ответ Фарадея в высокочастотной области. Комбинация этих двух описана gyroelectromagnetic СМИ, для которых gyroelectricity и gyromagnetism (Эффект Фарадея) могут произойти в то же время.

Фарадеевское вращение органических материалов

В органических материалах вращение Фарадея типично маленькое, с Verdet, постоянным в видимом регионе длины волны на заказе нескольких сотен градусов за Тесла за метр, уменьшаясь пропорциональный в этом регионе.

В то время как Verdet, постоянный из органических материалов, действительно увеличивается вокруг электронных переходов в молекуле, связанное поглощение света делает большинство органических материалов плохими кандидатами на заявления.

Есть, однако, также изолированные сообщения о большом вращении Фарадея в органических жидких кристаллах без связанного поглощения.

Фарадеевское вращение в plasmonic/magnetic материалах

В 2009 основная раковина γ-Fe2O3-Au nanostructures синтезировалась, чтобы объединяться магнитный (γ-Fe2O3) и plasmonic (Au) свойства в одно соединение.

Фарадеевское вращение с и без plasmonic материалов было проверено и улучшение вращения, легкое озарение на менее чем 530 нм наблюдалось.

Исследователи утверждают, что величиной оптического магнето улучшения управляет прежде всего спектральное наложение оптического магнето перехода и резонанса плазмона.

Соединение, о котором сообщают, magnetic/plasmonic nanostructure может визуализироваться, чтобы быть магнитной частицей, включенной в резонирующую оптическую впадину.

Из-за большой плотности государств фотона во впадине увеличено взаимодействие между электромагнитным полем света и электронными переходами магнитного материала, приведение к большему различию между скоростями права – и левый рассылало циркуляры поляризация, поэтому увеличивая вращение Фарадея.

См. также

  • Магнитооптический эффект Керра
  • Электрооптический эффект Керра
  • Фарадеевское вращающее устройство
  • Научные явления, названные в честь людей
  • Обратный Фарадеевский эффект
  • Спектроскопия поляризации
  • Магнитный круглый дихроизм

Внешние ссылки

  • Фарадеевское вращение (в мире Эрика В. Вайсштайна физики)
  • Электрооптические измерения (Керр, Pockels и Фарадей)

Источник: http://ru.knowledgr.com/00326055/%D0%A4%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%B4%D0%B5%D0%B5%D0%B2%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9%D0%AD%D1%84%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82

13.4Эффект Фарадея

ФАРАДEЯ ЭФФЕКТ

Пустьнаправление распространения волнысовпадает с постоянной составляющейподмагничевающего поля. Линейно-поляризованнуюволну можно представить в виде двухволн с круговой поляризацией, с половиннойамплитудой и с противоположным вращением.

Дляволны с левой и правойполяризациейбудетсоответственно

Эффектповорота плоскости поляризации в линейногиромагнитных средах получил названиеэффекта Фарадея.

8.5Эффект смещения поля в прямоугольном волноводе с поперечным подмагниченным ферритом

,.

В плоскостихои-амплитуды векторов электрического поляравны (смотри рисунок).

,

;

Всечении хопоставимферритовую пластину и подмагнитим еепостоянным полем.

Условияраспространения волны в ферритовойпластине такие же, как и в гиротропнойсреде.

Для волны, распространяющейся вположительном направленииZ,в подмагниченной среде подмагниченноеполе будет иметь левую поляризацию приэтом подмагниченный феррит магнитнойи электрической проницаемостьюсущественно превосходящей этих параметровв воздухе. Поэтому поле будетконцентрироваться в области феррита.

При распространении в отрицательномнаправлении осиZкруговаяполяризация в сечениихобудет иметь правое вращение и, всоответствии с этим, он будет соответствоватьотрицательной магнитной проницаемости,при этом постоянная распространениябудет чисто мнимой величиной, т.е. волнав феррите распространяться не будет.Поле выдавливается из феррита.

Этот эффекточень широко используется в ВЧ электроникедля создания вентилей (это четырехполюсныйпропускник сигнала в одном направлении).Для этого достаточен поглотитель вмаксимуме прямой или обратной волн.Конструктивно удобно нанести поглотительна феррите, при этом волна, распространяющаясяв феррите будет испытывать значительноеослабление.

Возможен и иной способреализации вентилей, основанный наиспользовании ферромагнитного резонанса.Суть его сводится к следующему: постоянноеподмагничивающее поле выбирают такойвеличины, чтобы для правополяризованнойволны соблюдались условия ферромагнитногорезонанса.

При этом поглощение волны,имеющее в феррите правую поляризацию,будет обеспечиваться за счет резонансныхпотерь.

Из приведенныхрассуждений следует ряд особенностей:

  1. Для их реализации требуется более мощная магнитная система.

  2. Они являются узкополосными.

9.1Классификация радиоволн по диапазонам частот и способу распространения

Передачасигналов от передающего устройства кприемному происходит в пространстве,образующем сложную по параметрам среду.

Всвободном пространстве радиоволныраспространяются прямолинейно соскоростью света и не испытываютпоглощения.

Влияниесреды на РРВ проявляется:

  • в изменении амплитуды поля (уменьшении);
  • в изменении скорости и направления распространения;
  • в повороте плоскости поляризации;
  • в искажении передаваемых сигналов.

Дляучета влияния среды на характеристикирадиоволн необходимо изучить электрическиесвойства земной поверхности и атмосферы,физические процессы, происходящие прираспространении радиоволн.

Земнаяповерхность оказывает существенноевлияние на РРВ:

  • в полупроводящей поверхности Земли радиоволны поглощаются;
  • при падении на земную поверхность радиоволны отражаются;
  • радиоволны дифрагируют на сферической поверхности земного шара.

Радиоволны,распространяющиеся в непосредственнойблизости от поверхности Земли, называютсяземнымирадиоволнами.

Ватмосфере Земли различают две области:нейтросферуи ионосферу.

Нейтросферазанимает нижний, наиболее плотный слойатмосферы толщиной ≈60 км. Она состоитиз нейтральных молекул атмосферныхгазов и делится на тропосферуи стратосферу.

Тропосфера– приземной слой нейтросферы высотой10-15 км. Тропосфера неоднородна ввертикальном направлении вдоль земнойповерхности. Ее электрические параметрыменяются при изменении метеорологическихусловий.

В тропосфере происходитрефракция радиоволн, поэтому распространениеземных радиоволн зависит от состояниятропосферы.

Тропосфера обуславливаетраспространение тропосферныхРВ, котороесвязано с рассеянием и отражением РВот неоднородностей тропосферы.

Стратосферапредставляет более однородную среду.Так как плотность газа уменьшается свысотой, то относительная диэлектрическаяпроницаемость в стратосфере ≈1, онаоказывает меньшее влияние на распространениярадиоволн.

Ионосферазанимает область атмосферы на высоте60-20000 км. На этих высотах плотность газамала, и он частично или полностьюионизирован. Число свободных электроновв ионосфере меняется с высотой исоставляет 103-106эл/см3.

Присутствие свободных электроновобуславливает рефракцию и отражениерадиоволн в ионосфере. РВ, распространяющиесяпутем отражения от ионосферы илирассеяния в ней на большие расстояния,называют ионосферными.

На условия распространения ионосферныхрадиоволн свойства земной поверхностии тропосферы влияют мало.

Нарасстоянии в 3-4 радиуса земного шараатмосфера Земли переходит в межпланетнуюплазму. Газ в межпланетной плазмеполностью ионизирован. Плотностьэлектронов равна плотности положительнозаряженных частиц и составляет 10-102эл/см3.

Такимобразом, можно ввести следующуюклассификацию радиоволн по способураспространения:

Радиоволны,распространяющиеся в однородной илислабо не однородной среде, в частности,в космическом пространстве по прямолинейной(или близкой к ней) траектории, носятназвание свободнораспространяющихсяили прямыхволн. Такие волны при прохождении сквозьатмосферу Земли могут претерпетьнебольшое искривление (рефракцию),рассеяние и поворот плоскости поляризации.

Радиоволны,распространяющиеся в непосредственнойблизости от поверхности Земли и частичноогибающие выпуклость земного шаравследствие явления дифракции, называютсяземнымиили поверхностными.Даже в наиболее благоприятных условиях(на самых длинных волнах) дальностьдифракционного распространения непревышает 3000-4000 км.

Радиоволны,распространяющиеся за счет рассеянияв тропосфере (до 1000 км) и направляющего(волноводного) действия тропосферы (до800-1000 км), получили название тропосферных.Как тропосферные могут распространятьсяволны короче 10 м, как волноводные –волны короче 3 м.

Радиоволны,распространяющиеся на большие расстоянияи огибающие земной шар в результатемногократного отражения от ионосферы(волны >10 м), а также волны, рассеивающиесяна неоднородностях ионосферы иотражающиеся от ионизированных следовметеоров (в диапазоне метровых волн),называются ионосфернымиили пространственными.

Наблизкихрасстояниях от передатчика волны всехдиапазонов распространяются как земные.

Тропосферавлияет только на условия распространениярадиоволн короче 10 м. Поэтому кактропосферные распространяются толькометровые, дециметровые и сантиметровыеволны.

Регулярныеотраженияот ионосферы испытывают волны длиннее10м. Поэтому как ионосферные могутраспространяться лишь сверхдлинные,длинные, средние и короткие волны. Однакометровые волны могут распространятьсякак ионосферные за счет рассеяния нанеоднородностях ионосферы и отраженийот метеорных следов.

Всеволны короче10 м распространяются как прямые (ватмосфере Земли и космическомпространстве).

Крадиоволнам относят электромагнитныеволны, длина которых лежит в пределах2*10-9-105м, что соответствует частотам 15*1010-3*10-3МГц.

Радиоволныпринято подразделять по десятичномупризнаку на диапазоны:

  • сверхдлинные (СДВ) 100-10 км;
  • километровые (ДВ) 10-1 км;
  • гектометровые (СВ) 1000-100 м;
  • декаметровые (КВ) 100-10 м;
  • метровые (МВ) 10-1 м;
  • дециметровые (ДМВ) 100-10 см;
  • сантиметровые (СМВ) 10-1 см;
  • миллиметровые (ММВ) 10-1 мм.

ВолныМВ, ДМВ и СМВ называют также ультракороткимиволнами (УКВ). Диапазон, включающий ДМВи СМВ, называют сверхвысокими частотами(СВЧ).

Источник: https://studfile.net/preview/2393178/page:13/

Наследие Фарадея

ФАРАДEЯ ЭФФЕКТ

Мало кто задумывается о том, что практически всё производство электроэнергии и немалое количество электрических приборов основаны на явлении и законе электромагнитной индукции, открытых ещё в 1831 г. великим английским учёным Майклом Фарадеем.

На этом же законе основаны электромагнитные измерительные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН), которые уже более ста лет используются в электроэнергетике и промышленности для измерения переменных токов и напряжений в высоковольтных сетях. Другое явление, открытое Фарадеем в 1845 г.

, – поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света в магнитном поле – ждало своего крупномасштабного технического применения больше полутора веков.

В СССР первые работы по созданию оптических датчиков тока на основе эффекта Фарадея проводились ещё в начале 1970-х годов.

После появления лазеров и оптического волокна (ОВ) у учёных-исследователей родилась мысль применить ОВ в качестве чувствительного элемента датчиков тока, использующих эффект Фарадея.

Однако в то время технологии ещё не созрели для создания надёжных промышленных образцов оптических трансформаторов тока.

В 1875 г. шотландский физик Джон Керр открыл (названный впоследствии его именем) эффект изменения показателя преломления оптического материала, находящегося в электрическом поле, пропорционально квадрату напряжённости этого поля (его также называют квадратичным электрооптическим эффектом). А в 1893 г.

немецкий физик Фридрих Поккельс обнаружил и исследовал возникновение двойного лучепреломления в некоторых кристаллах (в частности, ниобата лития и арсенида галлия) под действием электрического поля. В отличие от эффекта Керра, здесь наблюдается не квадратичная, а линейная зависимость показателя преломления от напряжённости поля.

Именно поэтому в оптических трансформаторах напряжения в большинстве случаев применяются датчики, основанные именно на эффекте Поккельса, а не Керра.

Отмечу, что терминология в данной сфере ещё окончательно не установилась.

В литературе можно встретить различные наименования: «оптические», «магнитооптические», «оптоэлектронные», «оптоволоконные», «волоконно-оптические», «оптикоэлектрические» и другие подобные определения трансформаторов, преобразователей и датчиков тока и напряжения.

Строго говоря, эти устройства – не трансформаторы (масштабные преобразователи) в традиционном смысле, а измерительные преобразователи, превращающие переменный или постоянный ток или напряжение большой величины в измерительные сигналы (аналоговые или цифровые).

ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ И ЗАКОН ВЕРДЕ

Поляризованный свет можно получать разными способами. Например, пропуская неполяризованный свет через поляризаторы. А поворачивать плоскость поляризации света способны как оптически активные вещества (различные кристаллы, их расплавы и растворы), так и внешние поля, воздействующие на среду прохождения света.

Именно к последним случаям относится эффект Фарадея – вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света, распространяющегося в среде вдоль постоянного магнитного поля. Отметим, что в вакууме такой эффект не возникает: магнитное поле влияет на свет опосредованно, через оптические характеристики среды.

Вращение плоскости поляризации монохроматического линейно поляризованного света, распространяющегося в изотропной немагнитной среде вдоль магнитного поля, подчиняется закону Верде:

Θ = V ×l×H,

где Θ – угол поворота (угол Фарадея); Н – магнитная напряжённость поля; l – длина пути светового луча в среде вдоль силовой линии магнитного поля; V – постоянная Верде (удельное магнитное вращение), зависящая от длины волны света (частоты колебаний), плотности среды и её температуры (для диамагнетиков эта зависимость очень слаба).

Для большинства сред V > 0, что означает правостороннее вращение. Знак угла поворота плоскости поляризации определяется только направлением магнитного поля и не зависит от направления распространения луча (по полю или против него).

Из закона Верде очевидным образом вытекает возможность применения эффекта Фарадея для бесконтактного измерения величины постоянного тока в токопроводе.

Постоянный ток порождает вокруг токопровода постоянное магнитное поле, поместив в которое чувствительный элемент с линейно поляризованным светом, можно по углу поворота плоскости поляризации определить величину напряжённости магнитного поля, а по ней – и величину самого тока в токопроводе (рис. 1).

Сложнее обстоит дело с переменным током. Его магнитное поле каждые 10 мс (полупериод для промышленного тока с частотой 50 Гц) меняется как по величине, так и по направлению.

Плоскость поляризации света в чувствительном элементе также поворачивается в разные стороны каждый полупериод. Поэтому для полного периода синусоидального тока (и кратных ему периодов) угол Фарадея оказывается равным нулю.

Следовательно, измерять его необходимо раздельно для положительных и отрицательных полупериодов тока.

Главный чувствительный элемент любого оптического ТТ – оптическое волокно. Это тонкая стеклянная нить в защитной оболочке.

Сердцевина оптоволокна выполнена из сверхчистого кварцевого стекла и окружена оболочкой из другого стекла или полимера с меньшим показателем преломления.

Вследствие этого на поверхности раздела сердцевины и оболочки лучи света, падающие под определёнными углами, подвергаются полному внутреннему отражению. Благодаря этому свойству ОВ передаёт световые волны на большие расстояния с минимальными потерями энергии.

https://www.youtube.com/watch?v=rD8PUBRt-S0

Обычное оптоволокно, применяемое в системах связи, не сохраняет параметров поляризации света. Для этой цели используют специальные оптические волокна, изготовленные по особой технологии. Например, «кручёное» ОВ получают при быстром вращении кварцевой заготовки в процессе вытяжки волокна, в котором образуется застывшая спиралевидная структура.

Для повышения поляризационной стабильности среды применяют микроструктурированное («дырчатое») ОВ, содержащее вокруг кварцевой сердцевины множество воздушных цилиндрических микроканалов диаметром 1-2 мкм. Эти каналы компенсируют (за счёт изменения своей формы) температурные и механические воздействия на волокно, влияющие на поляризацию сигнала.

ОТ ЛУЧА – К ПОКАЗАНИЯМ

Типичная схема оптического ТТ содержит чувствительный элемент в виде нескольких витков ОВ, помещенных в жёсткую защитную оболочку из немагнитного материала – ячейку Фарадея – и электронно-оптический блок (ЭОБ).

ЭОБ с помощью встроенного полупроводникового лазера и модулятора на оптическом выходе создаёт монохроматический линейно поляризованный световой сигнал, направляемый на чувствительный элемент по сохраняющему поляризацию оптоволокну.

В чувствительном элементе плоскость поляризации сигнала под воздействием магнитного поля, созданного протекающим по шине током, поворачивается на угол Фарадея. С выхода чувствительного элемента световой сигнал поступает на оптический вход ЭОБ, где на фазовом детекторе из него формируется электрический измерительный сигнал.

Далее этот сигнал через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) поступает в виде цифрового кода на дискретный интерфейсный выход ЭОБ и через цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) ‑ на усилитель, где формируются нормированные аналоговые выходные сигналы в виде напряжения или тока для выдачи на аналоговый интерфейс ЭОБ.

Обычно используется не проходная схема измерения, а реверсивная, в которой световой сигнал отражается от зеркала, расположенного в конце измерительной петли, и возвращается обратно в ЭОБ по тому же пути, по которому он попал в ОВ.

Не вдаваясь в подробности, отметим, что в оптическом ТН на ячейку Поккельса поступает свет с круговой поляризацией, который на выходе приобретает эллиптическую поляризацию, обусловленную разницей в фазовых скоростях волн, имеющих взаимно ортогональные поляризации (рис. 2).

Оптическая индикатриса (показатель оптических свойств кристаллов) поворачивается в кристалле на угол Δφ, зависящий от напряжённости электрического поля. Ячейка Поккельса содержит кристалл ортогерманата висмута (Bi4Ge3O12) или другого пьезоэлектрика.

Чтобы обеспечить независимость результатов измерений от температуры, вибраций и колебаний интенсивности лазерного источника излучения, используется двухканальный метод (рис. 3). Кристаллы в ячейках Поккельса повёрнуты друг относительно друга на 90 °.

__________________________________

Еще больше интересных материалов ищите на нашем портале Энерговектор.com или подписывайтесь на наш канал.

ПорталЭнерговектор– ​это ​ всегда свежие новости, комментарии финансовых аналитиков, оперативные фото- и видеорепортажи.

На портале также размещаются расширенные версии статей, публикуемых в газете Энерговектор, с дополнительными иллюстрациями и видеовставками.

Мы придаём большое значение вопросам престижа энергетических профессий, развитию отечественного энергетического машиностроения и энергоинжиниринга, обмену опытом и новым «прорывным» технологиям.

Источник: https://zen.yandex.ru/media/energovector/nasledie-faradeia-5e558a34bb4a6d368b8e2ccf

Эффект Фарадея и закон Верде

Поляризованный свет можно получать разными способами. Например, пропуская неполяризованный свет через поляризаторы. А поворачивать плоскость поляризации света способны как оптически активные вещества (различные кристаллы, их расплавы и растворы), так и внешние поля, воздействующие на среду прохождения света.

Именно к последним случаям относится эффект Фарадея – вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света, распространяющегося в среде вдоль постоянного магнитного поля. Отметим, что в вакууме такой эффект не возникает: магнитное поле влияет на свет опосредованно, через оптические характеристики среды.

Вращение плоскости поляризации монохроматического линейно поляризованного света, распространяющегося в изотропной немагнитной среде вдоль магнитного поля, подчиняется закону Верде:

Θ = V × l × H,

где Θ – угол поворота (угол Фарадея); Н – магнитная напряжённость поля; l – длина пути светового луча в среде вдоль силовой линии магнитного поля; V – постоянная Верде (удельное магнитное вращение), зависящая от длины волны света (частоты колебаний), плотности среды и её температуры (для диамагнетиков эта зависимость очень слаба).

Для большинства сред V > 0, что означает правостороннее вращение. Знак угла поворота плоскости поляризации определяется только направлением магнитного поля и не зависит от направления распространения луча (по полю или против него).

Из закона Верде очевидным образом вытекает возможность применения эффекта Фарадея для бесконтактного измерения величины постоянного тока в токопроводе.

Постоянный ток порождает вокруг токопровода постоянное магнитное поле, поместив в которое чувствительный элемент с линейно поляризованным светом, можно по углу поворота плоскости поляризации определить величину напряжённости магнитного поля, а по ней – и величину самого тока в токопроводе (рис. 1).

Сложнее обстоит дело с переменным током. Его магнитное поле каждые 10 мс (полупериод для промышленного тока с частотой 50 Гц) меняется как по величине, так и по направлению.

Плоскость поляризации света в чувствительном элементе также поворачивается в разные стороны каждый полупериод. Поэтому для полного периода синусоидального тока (и кратных ему периодов) угол Фарадея оказывается равным нулю.

Следовательно, измерять его необходимо раздельно для положительных и отрицательных полупериодов тока.

Главный чувствительный элемент любого оптического ТТ – оптическое волокно. Это тонкая стеклянная нить в защитной оболочке.

Сердцевина оптоволокна выполнена из сверхчистого кварцевого стекла и окружена оболочкой из другого стекла или полимера с меньшим показателем преломления.

Вследствие этого на поверхности раздела сердцевины и оболочки лучи света, падающие под определёнными углами, подвергаются полному внутреннему отражению. Благодаря этому свойству ОВ передаёт световые волны на большие расстояния с минимальными потерями энергии.

https://www.youtube.com/watch?v=rD8PUBRt-S0

Обычное оптоволокно, применяемое в системах связи, не сохраняет параметров поляризации света. Для этой цели используют специальные оптические волокна, изготовленные по особой технологии. Например, «кручёное» ОВ получают при быстром вращении кварцевой заготовки в процессе вытяжки волокна, в котором образуется застывшая спиралевидная структура.

Для повышения поляризационной стабильности среды применяют микроструктурированное («дырчатое») ОВ, содержащее вокруг кварцевой сердцевины множество воздушных цилиндрических микроканалов диаметром 1-2 мкм. Эти каналы компенсируют (за счёт изменения своей формы) температурные и механические воздействия на волокно, влияющие на поляризацию сигнала.

От луча – к показаниям

Типичная схема оптического ТТ содержит чувствительный элемент в виде нескольких витков ОВ, помещенных в жёсткую защитную оболочку из немагнитного материала – ячейку Фарадея – и электронно-оптический блок (ЭОБ).

ЭОБ с помощью встроенного полупроводникового лазера и модулятора на оптическом выходе создаёт монохроматический линейно поляризованный световой сигнал, направляемый на чувствительный элемент по сохраняющему поляризацию оптоволокну.

В чувствительном элементе плоскость поляризации сигнала под воздействием магнитного поля, созданного протекающим по шине током, поворачивается на угол Фарадея. С выхода чувствительного элемента световой сигнал поступает на оптический вход ЭОБ, где на фазовом детекторе из него формируется электрический измерительный сигнал.

Далее этот сигнал через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) поступает в виде цифрового кода на дискретный интерфейсный выход ЭОБ и через цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) ‑ на усилитель, где формируются нормированные аналоговые выходные сигналы в виде напряжения или тока для выдачи на аналоговый интерфейс ЭОБ.

Обычно используется не проходная схема измерения, а реверсивная, в которой световой сигнал отражается от зеркала, расположенного в конце измерительной петли, и возвращается обратно в ЭОБ по тому же пути, по которому он попал в ОВ.

Не вдаваясь в подробности, отметим, что в оптическом ТН на ячейку Поккельса поступает свет с круговой поляризацией, который на выходе приобретает эллиптическую поляризацию, обусловленную разницей в фазовых скоростях волн, имеющих взаимно ортогональные поляризации (рис. 2).

Оптическая индикатриса (показатель оптических свойств кристаллов) поворачивается в кристалле на угол Δφ, зависящий от напряжённости электрического поля. Ячейка Поккельса содержит кристалл ортогерманата висмута (Bi4Ge3O12) или другого пьезоэлектрика.

Чтобы обеспечить независимость результатов измерений от температуры, вибраций и колебаний интенсивности лазерного источника излучения, используется двухканальный метод (рис. 3). Кристаллы в ячейках Поккельса повёрнуты друг относительно друга на 90 °.

Источник: Энерговектор

Источник: https://www.EnergoVector.com/energoznanie-nasledie-faradeya.html

Ваш педагог
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: