Faraday efekt

Faraday efekt on Michael Faraday järgi nime saanud magneto-optiline efekt, mis ilmneb valguse ja magnetvälja vastasmõjus aines.

Täpsemalt loetakse Faraday efektiks lineaarselt polariseeritud valguse polarisatsioonitasandi pöördumist valguse levimise suunas mõjuva magnetvälja toimel. Nähtuse avastas aastal 1845 Michael Faraday, 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 enamikus optiliselt läbipaistvates materjalides (kaasaarvatud vedelikes), millele on rakendatud magnetväli.^[1]

1845. aastaks oli tänu Fresneli, Malus‘ jt tööle 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 elektromagnetiliste 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.^[2]

Faraday püüdis näha, kuidas magnetvälja rakendamine mõjutab seda, kuidas valgus erinevaid materjale läbib. Mitmete ebaõnnestunud katsete järel sattus ta katsetama pliid sisaldava klaasi tükki. Ta avastas, et kui polariseeritud valguse kiir läbis klaasi rakendatud magnetvälja suunas, muutus polariseeritud valguse nurk proportsionaalselt magnetväljatugevusega. Hiljem taastootis ta tugevamaid elektromagneteid, kasutades sama efekti muudeski tahketes, vedelates ja gaasilistes ainetes.^[3]

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 (pöörlemise suund on komponentidel vastupidine). Valguse levimisel materjalis põhjustab pidevalt muutuv elektriväli jõudu, mis mõjub laetud osakestele. Eelkõige mõjutab jõud väikse massi tõttu 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.^[4]

Suhe polarisatsioonitasandi pöördumise ja rakendatud välise magnetvälja on :

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

kus

β – polarisatsioonitasandi pöördenurk (radiaanides);

B – valguse leviku sihiline magnetväljatugevus (teslades);

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

${\displaystyle \scriptstyle {\mathcal {V}}}$ – materjali Verdet' konstant. Empiiriliselt tuletatud võrdetegur (ühikuks radiaani tesla ja meetri kohta) sõltub tugevalt temperatuurist ja valguse lainepikkusest ning on enamiku materjalide jaoks tabuleeritud.^[4]

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-paralleelselt.^[5]

Materjal	Temperatuur	${\displaystyle {\mathcal {V}}}$ (rad/T*m)
flintklaas	18	0,1537
vesi	20	0,0635
NaCl	16	0,1740432
kvarts	20	0,0804
NH4Fe(SO4)2*12H2O	26	−0,00281
õhk*	0	3,039*10−5
CO2*	0	4,44*10−5

• Tabeli andmed on valguse lainepikkusel 578 nm ja *gaaside jaoks rõhul 760 mmHg^[4]

Põhjalik ingliskeelne matemaatiline selgitus on leitav siit

Faraday efektil põhinevad mitmed kasutustleidvad rakendused.

• Mõnedes materjalides, nagu terbium gallium granaat, on väga suur Verdet konstant (≈ −134 rad T−1 m−1) (lainepikkusel 632 nm). Sellisest materjalist varda asetamisel tugevasse magnetvälja on Faraday efektist tulenev polarisatsiooni tasandi pöördumine olla suurem kui 0,78 rad (45°). Sellistele materjalile toetudes on võimalik Faraday rotaatorite valmistamine, mis on põhikomponendiks Faraday isolaatorites. Faraday isolaatorid on seadmed, mis võimaldavad valguse läbimineku ainult ühes suunas. Sarnase põhimõttega isolaatoreid on võimalik konstrueerida ka mikrolainelise kiirguse jaoks kasutades ferriit vardaid lainejuhtides, mis on ümbritsetud tugeva magnetväljaga.^[6]
• 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 amplituudi muutuseks.^[4][7]

Aastal 2009 sünteesiti γ-Fe2O3- tuum-kest nanostruktuurid, et integreerida magnetiliste omadustega (γ-Fe2O3) ja plasmooniline Au ühte komposiitmaterjali. Faraday efekt mõõdeti koos ja ilma plasmoonilise materjalita ja täheldati 530 nm valgusega kiiritades efekti võimendumist plasmoonilise kullaga komposiitmaterjalis. Uurijad väidavad, et magneto-optilise efekti võimendumine on tulenev magneto-optilise ülemineku ja plasmonresonantsi spektrite kattumisest uuritavas materjalis.^[8]

• Michael Faraday
• Faraday seadus
• Faraday seadused
• Kerri efekt