Отклонение света в магнитном поле. Использование эффект фарадея. Намагниченные фотонные кристаллы

Через оптически неактивное вещество, находящееся в магнитном поле , наблюдается вращение плоскости поляризации света. Теоретически, эффект Фарадея может проявляться и в вакууме в магнитных полях порядка 10 11 -10 12 Гс .

Феноменологическое объяснение

Проходящее через изотропную среду линейно поляризованное излучение всегда может быть представлено как суперпозиция двух право- и левополяризованных волн с противоположным направлением вращения. Во внешнем магнитном поле показатели преломления для циркулярно право- и левополяризованного света становятся различными ( $n_+$ и $n_-$ ). Вследствие этого, при прохождении через среду (вдоль силовых линий магнитного поля) линейно поляризованного излучения его циркулярно лево- и правополяризованные составляющие распространяются с разными фазовыми скоростями , приобретая разность хода, линейно зависящую от оптической длины пути. В результате плоскость поляризации линейно поляризованного монохроматического света с длиной волны $\lambda$ , прошедшего в среде путь $l$ , поворачивается на угол

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

В области не очень сильных магнитных полей разность $n_+ - n_-$ линейно зависит от напряжённости магнитного поля и в общем виде угол фарадеевского вращения описывается соотношением

$\ \Theta = \nu Hl$ ,

Элементарное объяснение

Эффект Фарадея тесно связан с эффектом Зеемана , заключающимся в расщеплении уровней энергии атомов в магнитном поле. При этом переходы между расщеплёнными уровнями происходят с испусканием фотонов правой и левой поляризации, что приводит к различным показателям преломления и коэффициентам поглощения для волн различной поляризации. Грубо говоря, различие скоростей различно поляризованных волн обусловлено различием длин волн поглощаемого и переизлучаемого фотонов.

Строгое описание эффекта Фарадея проводится в рамках квантовой механики.

Применение эффекта

Используется в лазерных гироскопах и другой лазерной измерительной технике и в системах связи. Кроме того, эффект применяется при создании ферритовых СВЧ-устройств. В частности на основе эффекта Фарадея строятся СВЧ-циркуляторы на круглом волноводе.

История

Данный эффект был обнаружен М. Фарадеем в 1845 году .

Первоначальное объяснение эффекта Фарадея дал Д. Максвелл в своей работе «Избранные сочинения по теории электромагнитного поля», где он рассматривает вращательную природу магнетизма . Опираясь в том числе на работы Кельвина , который подчеркивал, что причиной магнитного действия на свет должно быть реальное(а не воображаемое) вращение в магнитном поле, Максвелл рассматривает намагниченную среду как совокупность «молекулярных магнитных вихрей». Теория, считающая электрические токи линейными, а магнитные силы вращательными явлениями, согласуется в этом смысле с теориями Ампера и Вебера . Исследование, проведённое Д. К. Максвеллом, приводит к заключению, что единственное действие, которое вращение вихрей оказывает на свет, состоит в том, что плоскость поляризации начинает вращаться в том же направлении, что и вихри, на угол, пропорциональный:

толщине вещества,
составляющей магнитной силы, параллельной лучу,
показателю преломления луча,
обратно пропорциональный квадрату длины волны в воздухе,
среднему радиусу магнитных вихрей,
ёмкости магнитной индукции (магнитной проницаемости).

Все положения «теории молекулярных вихрей» Д. Максвелл доказывает математически строго, подразумевая, что все явления природы в глубинной сути своей аналогичны и действуют похожим образом.

Многие положения данной работы были впоследствии забыты или не поняты (например, Герцем), однако известные на сегодняшний день уравнения для электромагнитного поля выведены были Д. Максвеллом из логических посылок указанной теории.

Австрийский физик-теоретик Л. Больцман в примечаниях к работе Д. Максвелла отзывался следующим образом:

Я мог бы сказать, что последователи Максвелла в этих уравнениях, пожалуй, ничего кроме букв не переменили… Результаты переведенного здесь цикла работ, следовательно, должны быть причислены к важнейшим достижениям физической теории"

См. также

Магнитооптические эффекты

Напишите отзыв о статье "Эффект Фарадея"

Примечания

Источник

. Физическая энциклопедия. т.5. стр. 275

Отрывок, характеризующий Эффект Фарадея

Князь Андрей не мог удерживаться более и заплакал нежными, любовными слезами над людьми, над собой и над их и своими заблуждениями.
«Сострадание, любовь к братьям, к любящим, любовь к ненавидящим нас, любовь к врагам – да, та любовь, которую проповедовал бог на земле, которой меня учила княжна Марья и которой я не понимал; вот отчего мне жалко было жизни, вот оно то, что еще оставалось мне, ежели бы я был жив. Но теперь уже поздно. Я знаю это!»

Страшный вид поля сражения, покрытого трупами и ранеными, в соединении с тяжестью головы и с известиями об убитых и раненых двадцати знакомых генералах и с сознанием бессильности своей прежде сильной руки произвели неожиданное впечатление на Наполеона, который обыкновенно любил рассматривать убитых и раненых, испытывая тем свою душевную силу (как он думал). В этот день ужасный вид поля сражения победил ту душевную силу, в которой он полагал свою заслугу и величие. Он поспешно уехал с поля сражения и возвратился к Шевардинскому кургану. Желтый, опухлый, тяжелый, с мутными глазами, красным носом и охриплым голосом, он сидел на складном стуле, невольно прислушиваясь к звукам пальбы и не поднимая глаз. Он с болезненной тоской ожидал конца того дела, которого он считал себя причиной, но которого он не мог остановить. Личное человеческое чувство на короткое мгновение взяло верх над тем искусственным призраком жизни, которому он служил так долго. Он на себя переносил те страдания и ту смерть, которые он видел на поле сражения. Тяжесть головы и груди напоминала ему о возможности и для себя страданий и смерти. Он в эту минуту не хотел для себя ни Москвы, ни победы, ни славы. (Какой нужно было ему еще славы?) Одно, чего он желал теперь, – отдыха, спокойствия и свободы. Но когда он был на Семеновской высоте, начальник артиллерии предложил ему выставить несколько батарей на эти высоты, для того чтобы усилить огонь по столпившимся перед Князьковым русским войскам. Наполеон согласился и приказал привезти ему известие о том, какое действие произведут эти батареи.
Адъютант приехал сказать, что по приказанию императора двести орудий направлены на русских, но что русские все так же стоят.
– Наш огонь рядами вырывает их, а они стоят, – сказал адъютант.
– Ils en veulent encore!.. [Им еще хочется!..] – сказал Наполеон охриплым голосом.
– Sire? [Государь?] – повторил не расслушавший адъютант.
– Ils en veulent encore, – нахмурившись, прохрипел Наполеон осиплым голосом, – donnez leur en. [Еще хочется, ну и задайте им.]
И без его приказания делалось то, чего он хотел, и он распорядился только потому, что думал, что от него ждали приказания. И он опять перенесся в свой прежний искусственный мир призраков какого то величия, и опять (как та лошадь, ходящая на покатом колесе привода, воображает себе, что она что то делает для себя) он покорно стал исполнять ту жестокую, печальную и тяжелую, нечеловеческую роль, которая ему была предназначена.
И не на один только этот час и день были помрачены ум и совесть этого человека, тяжеле всех других участников этого дела носившего на себе всю тяжесть совершавшегося; но и никогда, до конца жизни, не мог понимать он ни добра, ни красоты, ни истины, ни значения своих поступков, которые были слишком противоположны добру и правде, слишком далеки от всего человеческого, для того чтобы он мог понимать их значение. Он не мог отречься от своих поступков, восхваляемых половиной света, и потому должен был отречься от правды и добра и всего человеческого.
Не в один только этот день, объезжая поле сражения, уложенное мертвыми и изувеченными людьми (как он думал, по его воле), он, глядя на этих людей, считал, сколько приходится русских на одного француза, и, обманывая себя, находил причины радоваться, что на одного француза приходилось пять русских. Не в один только этот день он писал в письме в Париж, что le champ de bataille a ete superbe [поле сражения было великолепно], потому что на нем было пятьдесят тысяч трупов; но и на острове Св. Елены, в тиши уединения, где он говорил, что он намерен был посвятить свои досуги изложению великих дел, которые он сделал, он писал:
«La guerre de Russie eut du etre la plus populaire des temps modernes: c"etait celle du bon sens et des vrais interets, celle du repos et de la securite de tous; elle etait purement pacifique et conservatrice.
C"etait pour la grande cause, la fin des hasards elle commencement de la securite. Un nouvel horizon, de nouveaux travaux allaient se derouler, tout plein du bien etre et de la prosperite de tous. Le systeme europeen se trouvait fonde; il n"etait plus question que de l"organiser.
Satisfait sur ces grands points et tranquille partout, j"aurais eu aussi mon congres et ma sainte alliance. Ce sont des idees qu"on m"a volees. Dans cette reunion de grands souverains, nous eussions traites de nos interets en famille et compte de clerc a maitre avec les peuples.
L"Europe n"eut bientot fait de la sorte veritablement qu"un meme peuple, et chacun, en voyageant partout, se fut trouve toujours dans la patrie commune. Il eut demande toutes les rivieres navigables pour tous, la communaute des mers, et que les grandes armees permanentes fussent reduites desormais a la seule garde des souverains.

Фарадей. Электромагнитная индукция [Наука высокого напряжения] Кастильо Сержио Рарра

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ МАГНЕТИЗМОМ И СВЕТОМ: ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ

Хотя казалось, что свет и магнетизм не имеют ничего общего, на самом деле они взаимосвязаны. Всякий раз, когда мы до чего-нибудь дотрагиваемся, атомы наших пальцев вступают во взаимодействие с атомами этого предмета, электроны атомов нашей руки и предмета контактируют и взаимно отталкиваются из-за электромагнитной силы. Материя - практически пустота, но именно взаимное отталкивание электронов нашей руки и электронов предмета подсказывает, что пустоты не существует.

Фарадей был убежден, что каждый вид силы в мире может превращаться в другой: он доказал это, когда воздействовал электричеством на магнетизм. Теперь, после длительного отдыха, Фарадея соблазнял поиск нового решения задачи: достичь того, чтобы электричество вступило во взаимодействие со светом. Не впервые он задумывался над этим: с начала 1820-х годов ученый сделал несколько попыток, каждый раз безуспешных, но все же, вдохновляемый Джоном Гершелем и его опытами 1823 года, по-прежнему обдумывал возможности воздействия на свет электромагнитной спиралью.

В июне 1845 года на собрании Британской ассоциации содействия развитию науки Фарадей познакомился с молодым Уильямом Томсоном, который был большим поклонником его работ, а впоследствии стал великим теоретиком электричества в Англии, участвовал в создании кабеля, который должен был соединить Англию и Америку, но об этом мы уже говорили. Молодой 21-летний шотландец был очарован Фарадеем, они долго беседовали, а позднее начали переписываться: Томсон рассказывал о своих успехах, которые сопутствовали ему при разработке понятия силовых линий, введенных Фарадеем. В конце концов, эта переписка вдохновила Фарадея на возобновление поисков связи света и электричества.

Он сразу же провел серию экспериментов, которые, как это уже случалось в прошлом, не принесли желаемых результатов. Тогда ученый решил вместо электричества, воздействовавшего в качестве силы на свет, использовать магнетизм. Для обнаружения возможного эффекта Фарадей использовал стекло с высоким индексом рефракции - то самое, которое он сделал для Королевского общества между 1829 и 1820 годами, когда его учитель Дэви давал ему много мелких поручений, чтобы научный талант его подопечного не сиял так ярко. Стекло было изготовлено из боросиликата свинца, ученый разместил его между двумя полюсами электромагнита и пропустил через него поляризованный свет параллельно линиям, проходящим от полюса к полюсу. В результате Фарадей заметил, что поляризованный луч подвергается воздействию.

Фарадей держит в руках стеклянный брусок, использованный в 1845 году для доказательства воздействия магнетизма на свет в диэлектриках.

Работник Немецкого музея в Мюнхене залезает в клетку Фарадея, чтобы продемонстрировать ее работу.

Рисунок на основе заметок Фарадея, иллюстрирующий эксперимент с кюветой льда.

Рефракция - явление, состоящее в изменении направления света при прохождении через прозрачную среду, например через воздух или стекло. Это явление можно наблюдать, если мы опустим карандаш в стакан воды: кажется, что карандаш сломан у поверхности воды. Это связано с рефракцией, или преломлением, света при прохождении через воздух и воду. Отношение между скоростью света в вакууме и в определенной среде называется индексом рефракции, который определяется как частное между скоростью света в вакууме и скоростью света в данной среде: n = c/v.

С другой стороны, свет представляет собой волновое движение (взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля вибрируют также в направлении распространения волн, поэтому свет состоит из электромагнитных волн). Как правило, свет, испускаемый предметами, не поляризован, поскольку он идет в разных направлениях. Однако свет поляризуется при колебаниях электрического поля в одной плоскости.

Существуют различные способы получения поляризованного света. Один из них, названный поляризацией отражением, открыл в 1808 году Этьен Луи Малюс: он направил луч света на поверхность стекла под углом в 57?, отраженный луч поляризовался, потому что плоскость колебаний была перпендикулярна плоскости воздействия.

Таким же образом Фарадей открыл первый известный случай взаимодействия между магнетизмом и светом в 1845 году. Это отклонение плоскости поляризации света (определенной плоскостью колебаний электрического поля) - результат пересечения магнитным полем прозрачного материала, такого как стекло. Он известен как эффект Фарадея, или магнитооптический эффект, и наблюдается на многих твердых, жидких и газообразных предметах. Эффект возникал, только когда лучи света пересекались на протяжении линий электромагнитной индукции между полюсами.

Природа света

Co времен Ньютона существовали две интерпретации природы света. Согласно первой, свет - это поток частиц; именно эту корпускулярную теорию защищал Ньютон. Вторая интерпретация утверждает, что свет - это волна; за ней стоял Христиан Гюйгенс (1629–1695). В конце концов, эксперименты Юнга и Френеля, а также других исследователей установили в начале XIX века волновой характер света. Следующим концептуальным шагом стало доказательство того, что свет является электромагнитной волной. Сам Фарадей доказал возможность взаимодействия света с электрическими и магнитными явлениями, указав на то, что статическое магнитное поле может изменять скорость распространения света на определенных материалах (знаменитый эффект Фарадея). Формулировка данного эффекта позволила Фарадею утверждать, что свет является электромагнитной волной. Это утверждение с одновременным отрицанием, по его мнению, устаревшей идеи об эфире - теории, согласно которой для перенесения световых волн требуется специальная среда флюида, эфир, - было опубликовано в 1846 году в знаменитых Вечерних лекциях по пятницам.

Теория Максвелла

Максвелл собрал данные, полученные Фарадеем, и сформулировал полную математическую теорию, ставшую основой современной оптики. Эта теория представлена в серии из четырех докладов, озаглавленной «О физических силовых линиях» (On Physical Lines of Force), где мы можем прочесть: «Мы едва ли можем отказаться от вывода, что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений». Максвелл также предсказал возможность существования электромагнитных волн с длиной волны, превышающей видимый свет, которые сегодня мы называем радиоволнами.

Из книги Прометей раскованный автора Снегов Сергей Александрович

Из книги Новейшая книга фактов. Том 3 [Физика, химия и техника. История и археология. Разное] автора Кондрашов Анатолий Павлович

Из книги Безумные идеи автора Радунская Ирина Львовна

Из книги Пять нерешенных проблем науки автора Уиггинс Артур

1. Сильное взаимодействие: 1. Сильное взаимодействие: частицы, появляющиеся в соответствии с законами квантования ряда полей, называются кварками. Сегодня известно шесть кварков (и связанных с ними антикварков), входящих в три семейства [или поколения], как показано на

Из книги Физика в играх автора Донат Бруно

2. Электрослабое взаимодействие: 2. Электрослабое взаимодействие: частицы, появляющиеся в соответствии с законами квантования ряда полей, называются лептонами. Существует шесть лептонов (и связанных с ними антилептонов), входящих в три семейства, как показано на рис. 2.4.

Из книги Живой кристалл автора Гегузин Яков Евсеевич

Глава четвертая Опыты со светом Солнечные часы. Попробуйте проследить за своей тенью на открытом воздухе в различные часы дня и разные времена года. Тень не остается неподвижной, она как будто ползет вокруг нас. Утром она падает по направлению к западу, в полдень - к

Из книги Для юных физиков [Опыты и развлечения] автора Перельман Яков Исидорович

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ АТОМАМИ По свежему следу предыдущего очерка воспользуемся моделью БНЛ для разговора о реальном взаимодействии между атомами, образующими кристалл.Нам уже известно, что взаимодействие, т. е. конкуренция сил притяжения и отталкивания между атомами,

Из книги Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации автора Горелик Геннадий Ефимович

34. Взаимодействие Механика учит, что одностороннего притяжения – и вообще одностороннего действия – быть не может: всякое действие есть взаимодействие. Значит, если наэлектризованная палочка притягивает разные предметы, то она и сама притягивается к ним. Чтобы

Из книги Фарадей. Электромагнитная индукция [Наука высокого напряжения] автора Кастильо Сержио Рарра

Из книги «Безумные» идеи автора Радунская Ирина Львовна

От силовых линий Фарадея до поля Максвелла Талантливому человеку сделать великое открытие иногда помогает даже недостаток образования. Сын кузнеца, ученик переплетчика, Фарадей был самоучкой, но своим интересом к науке и способностями обратил на себя внимание видного

Из книги автора

СЕКРЕТЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО УСПЕХА ФАРАДЕЯ Среди характерных черт Фарадея (например, способность к самообучению и влияние религии на мышление) нужно подчеркнуть и его приверженность в исследованиях некоторым интеллектуальным установкам, которые помогли ему добиться

Из книги автора

ПЕРЕВОД ИДЕЙ ФАРАДЕЯ НА МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ЯЗЫК Электричество не могло быть жидкостью, проходящей по проводу, оно должно было генерироваться невидимой силой, как и линии магнитного поля, однако в данном случае линии шли от одного заряда к другому. Это невидимое поле, по

Из книги автора

ГЛАВА 4. Взаимодействие между материей, электричеством и светом Теоретические отголоски открытий Фарадея достигли ученых следующих поколений, таких как Максвелл и Эйнштейн. Они приняли эстафету из рук сандеманианца, чтобы сформулировать теории, с большей точностью

Из книги автора

КЛЕТКА ФАРАДЕЯ И ДИЭЛЕКТРИКИ Если бы мы могли перенестись в Королевский институт в конце 1835 года, мы бы увидели Фарадея, погруженного в конструирование необычного гигантского приспособления. Оно было настолько огромным, что его пришлось переместить в лекционный зал

Из книги автора

НАСЛЕДИЕ ФАРАДЕЯ Глубокая духовность и способность к самообразованию подталкивали Фарадея к неутомимым поискам взаимосвязи между движением, магнетизмом и электричеством, как будто между частями Троицы - отдельными, но неразделимыми. Благодаря этой концепции

Из книги автора

Наперегонки со светом Некоторые из великих открытий, продвинувших науку, можно назвать «легкими», однако не в смысле того, что их легко было сделать, а в том смысле, что, когда они совершены, их легко понять каждому. Ч. Дарвин В темнотеГлаз, оторвавшись от прибора, встречал

У Фарадея не было теории того явления, которое он обнаружил. В следующем, 1846 году Г. Б. Эри (1801-1892) показал, как описать это явление аналитически в рамках волновой теории света. Уравнения света содержали некоторые вторые производные перемещения по времени. Эри добавлял ad hoc другие члены, содержащие первые или третьи производные. Это стандартный ход в физике. Для того, чтобы уравнения удовлетворяли явлению, с полки берутся стандартные дополнительные члены уравнения, без определенного представления о том, почему поможет один, а не другой.
В 1856 году Кельвин предложил физическую модель: магнитное поле заставляет молекулы в куске стекла вращаться вокруг осей, параллельных линиям напряженности. Это молекулярное вращение сочетается с вибрациями, производимыми световыми волнами, и, следовательно, заставляет вращаться плоскость поляризации.
Модель Кельвина была принята Максвеллом и помогла ему сформировать электромагнитную теорию света. Однако она не очень хорошо сочеталась с подробностями эксперимента, о которых сообщает Верде. Тогда Максвелл использовал аргументы симметрии для того, чтобы определить добавочные члены в уравнениях электромагнитного поля, используемого для описания явления. Наконец, в 1892 году Х.А. Лоренц совместил уравнения Максвелла со своей теорией электрона. Основанное на этом объяснение используется и поныне. Эффект описывали физически, в стиле Кельвина, как локальное движение вокруг линий напряжения. Но это не кельвиновское мистическое вращение молекул, которое просто имеет место и все. Это движение электронов, вызываемое электромагнитным способом.

Шесть уровней "теории"

В нашем рассказе участвует по крайней мере шесть разных уровней теории. Это не просто уровни большей или меньшей общности или логической силы, скорее разные типы теоретизирования. Первая экспериментальная работа была проделана Фарадеем, а затем Верде. "Теоретические" идеи можно представить следующим образом, в порядке появления:
1. Движимый верой в единство науки, Фарадей размышляет на тему о том, что должна быть некоторая связь между электромагнетизмом и светом.
2. Возникает фарадеевская аналогия открытию Брюстера: электромагнитные явления могут влиять на поляризационные свойства.
3. Эри дает математическое описание ad hoc.
4. Кельвин создает физическую модель, используя механическую картину молекул, вращающихся в стекле.
5. Максвелл использует аргумент симметрии для того, чтобы предоставить формальный анализ в рамках новой электромагнитной теории.
6. Лоренц предоставляет физическое объяснение в рамках теории электрона.
Я не хочу сказать, что эти различные типы гипотез появляются во всяком исследовании, а также то, что они должны появляться в таком порядке. Эта история в духе Бэкона начинается с глубокой идеи и аналогии, подтверждается экспериментом, а затем развивается во все более приемлимые теоретические формулировки. Конечно, очень часто вначале возникает большая теория (6). Наш пример лишь иллюстрирует банальный, но легко забываемый факт о том, что слово "теория" покрывает множество вопросов. Словарь говорит, что этимологически слово "теория" происходит от греческого слова, обозначающего, в том числе, спекулятивное мышление. Давайте остановимся на этом.

Спекуляция

Как и Ч.У.Ф.Эверитт, я придерживаюсь не двойной, а тройной классификации родов деятельности. Я называю их спекулятивным рассуждением, вычислением и экспериментом.
Слово "спекулирование" может быть применено ко всякого рода болтовне и играм на биржах. Я буду понимать под спекуляцией интеллектуальное представление чего-либо, имеющего интерес, игру в переструктурирование идей, которая может дать нам по крайней мере качественное понимание некоторых общих свойств мира.
Являются ли спекуляции только качественными? Конечно, нет. Физика - количественная наука. И все же большинство теорий имеют свободные параметры, значения которым даются в эксперименте. Основополагающая теория более качественна. Одна старая спекуляция заключалась в том, что путь, пройденный телом, свободно падающим на землю, зависит от квадрата времени падения. Он представляется как 1/2gt2. Численное значение местного ускорения свободного падения g не входило в исходную спекуляцию. Это лишь пустое место, которое мы заполняем при помощи не-теоретического измерения. В настоящее время всякая количественная теория в конечном счете говорит: "Уравнения имеют такую-то и такую-то форму, в которой определенные константы природы должны быть получены эмпирически". Долгое время бытовала лейбницевская мечта о выведении мировых констант, но пока это лишь программа, а не результативная деятельность. Таким образом, несмотря на все свои количественные признаки, спекуляция может быть существенно качественной.
Существует по крайней мере столько же способов спекуляции, сколько и представлений. Существуют физические модели, иллюстрацией которых может быть описание эффекта Фарадея, предложенное Кельвином. Существуют математические структуры. Оба подхода привели к замечательным прозрениям. В соответствии с одним неверным стереотипом о науке второй половины девятнадцатого века немецкие физики использовали, в основном, математические подходы, тогда как британские создавали физические модели. На самом деле исследования этих двух типов взаимодействовали друг с другом, а исследователи часто открывали почти что одни и те же факты совершенно разными методами. Более того, при ближайшем рассмотрении оказывается, что большая часть физических моделей, например, Максвелла, включают абстрактные структуры. Таким образом, элементы его статистической механики были не твердыми частицами, а математическими дифференциалами без какого-либо явного физического значения. И наоборот, работа множества немецких прикладных математиков зависела от простых физических моделей. Эти стороны человеческого разума в общем не отделимы, а сочетаются и будут сочетаться и изменяться непредсказуемым способом.

Вычисление

Кун замечает, что нормальная наука - дело того, что он называет артикуляцией. Мы артикулируем теорию для того, чтобы она была лучше согласована с миром, была открытой для опытного подтверждения. Большая часть начальных спекуляций плохо согласуется с миром. Это происходит по двум причинам. Одна заключается в том, что из спекуляции вряд ли можно вывести следствия, которые даже в принципе будут проверяемы. Другая причина заключается в том, что высказывание, которое в принципе проверяемо, часто не бывает проверяемо, просто потому что никто не знает, как осуществить проверку. Требуются новые экспериментальные идеи и новые виды технологий. В примере с Гершелем и тепловым излучением потребовалась термопара и идеи Македонио Меллони, для того чтобы по-настоящему разработать исходные спекуляции Гершеля.
Таким образом, артикуляция Куна должна обозначать два типа вещей - артикуляцию теории и артикуляцию эксперимента. Более теоретическую из этих типов деятельности я условно назову "вычислением". Я имею в виду не простой счет, а математическое воплощение данной спекуляции, приводящее ее к большей согласованности с миром.
Ньютон был великий мастер спекуляций. Он был также великим вычислителем. Он изобрел дифференциальное исчисление для того, чтобы понять математическую структуру своих спекуляций о движении планет. Ньютон был также одаренным экспериментатором. Мало кто из ученых проявил себя в обоих типах деятельности. П.С. Лаплас (1749-1827) представляет пример великолепного вычислителя. Его "Небесная механика", написанная около 1800 года, была по тому времени самой тонкой разработкой ньютоновской теории движения планет. Ньютон оставил без ответа бесчисленное множество вопросов, для ответа на которые (а иногда даже и для постановки которых) потребовалась новая математика. Лаплас также известен благодаря своему выдающемуся вкладу в теорию вероятностей. В начале своей знаменитой вводной лекции о вероятности он сформулировал одну классическую версию детерминизма. Он сказал, что высший разум, обладающий знанием уравнений вселенной и множества граничных условий, в состоянии вычислить положение и скорости всех частиц в любом отдаленном будущем. Создается впечатление, что Лаплас представлял Высший Разум как несколько более совершенный вариант самого Лапласа, Великого Вычислителя. Лаплас применял ньютоновские идеи притяжения и отталкивания к большинству исследуемых вопросов, включая тепло и скорость звука. Как я уже заметил, так же как Лаплас увенчал достижения Ньютона мощными вычислениями, менее значительные экспериментаторы своими вольтовыми батареями, компасами и различными световыми фильтрами по крайней мере держали ньютоновскую программу на плаву.

Измерение высокого импульсного напряжения и больших импульсных токов

Вступление

Современная практика и научные исследования требуют измерений высоких и сверхвысоких напряжений - до 10 МВ и больших токов - до 1¸2 МА. Напряжения и токи при этом могут быть постоянными, переменными, и импульсными с длительностью импульсов от долей микросекунд до нескольких десятков миллисекунд. Измерение больших постоянных токов - до 200¸500 кА широко используется в устройствах электролиза алюминия. Большие переменные токи - до 150¸200 кА имеют место в мощных дуговых электропечах. Работают линии электропередачи с напряжением 1,2¸1,5 МВ, проектируются линии передачи и энергетические устройства на более высокие напряжения. В термоядерных установках токи достигают сотен килоампер.

В ряде случаев необходимо проводить измерения при сверхнизких и высоких температурах, например, в криотурбогенераторах или криомодулях высокоскоростных транспортных средств на магнитной подушке, при исследовании плазменных и термоядерных источников энергии.

Электрооптические методы измерений высоких напряжений и больших токов

Быстрое развитие линий электропередачи и электрофизических устройств высокого и сверхвысокого напряжения (1200 кВ и выше) обусловило появление новых методов измерений, не требующих создания дорогостоящих и громоздких изоляционных устройств на полное рабочее напряжение. Перспективными являются электрооптические методы, основанные на преобразовании измеряемых электрических величин в параметры оптического излучения и применении оптических каналов связи для передачи измерительной информации из зоны высокого напряжения на низковольтную часть измерительного устройства. Преимуществами этих методов являются высокое быстродействие, защищенность от электромагнитных помех, а также надежная естественная электрическая изоляция между высоковольтной и вторичной измерительными цепями вследствие их полной электрической развязки.

Электрооптические методы разделяются на методы с внутренней модуляцией, при которых сигнал измерительной информации непосредственно воздействует на источник оптического излучения, изменяя параметры его излучения, и методы с внешней модуляцией, основанные на воздействии измеряемой величины непосредственно на оптическое излучение от внешнего стабильного источника.

Рис. 1.

При измерении методами с внутренней модуляцией (рис. 1) источник оптического излучения 2 (например, светодиод) и первичный преобразователь 1 (шунт, измерительный трансформатор и др.) находятся под высоким напряжением, а приемник оптического излучения 4 и вторичное измерительное устройство 5 имеют потенциал Земли. В качестве оптического канала связи 3 между источником и приемником излучения применяются высоковольтные волоконные жесткие или гибкие световоды, которые обеспечивают надежную изоляцию измерительных устройств от высоковольтной цепи.

Использование эффект Фарадея

Методы с внешней модуляцией основаны на использовании электрооптических и магнитооптических эффектов, главным образом электрооптических эффектов Керра и Поккельса - для измерения напряженности электрического поля и напряжения, а также магнитооптического эффекта Фарадея - для измерения токов.

Время релаксации, свойственное электро- и магнитооптическим эффектам, составляет менее 10 -10 с, поэтому на основе этих эффектов можно создать быстродействующие средства измерений постоянных, переменных и импульсных токов и напряжений, а также современные быстродействующие устройства защиты.

Использование эффекта Фарадея

Эффект Фарадея заключается во вращении плоскости поляризации линейно поляризованного света в оптически активных веществах под действием магнитного поля. Угол поворота плоскости поляризации света

где C B - постоянная Верде; l - длина пути света в веществе; В - магнитная индукция.

Измеряя угол поворота плоскости поляризации света, можно определить индукцию магнитного поля или силу тока, если преобразователь поместить в магнитном поле измеряемого тока.

Рис. 2.

Уравнение, записанное выше, справедливо для составляющей индукции В l , направленной вдоль пути света. Знак угла Q зависит от направления вектора магнитной индукции, но не зависит от направления света, что позволяет увеличить угол Q, если свет многократно пропускать через ячейку Фарадея. Как и в других методах, основанных на измерении магнитной индукции поля, создаваемого измеряемым током, при использовании эффекта Фарадея основными составляющими погрешности измерения тока являются погрешность преобразования измеряемого тока в магнитную индукцию и погрешность измерения магнитной индукции.

При использовании эффекта Фарадея измерение магнитной индукции сводится к измерению поворота плоскости поляризации света, которое обычно осуществляя методами прямого или уравновешивающего преобразования.

При применении метода прямого преобразования свет от лазера 1 направляется к преобразователю Фарадея 8 (рис. 2).

При этом поляризатор 2 и анализатор 4 могут быть расположены непосредственно у магнитооптического образца, что позволяет использовать оптические каналы связи 5 в виде обычных волоконных световодов.

Выходным сигналом устройств, построенных на основе метода прямого преобразования, является фототок или выходное напряжение.

где R н - сопротивление нагрузки фотоприемника; S Ф - чувствительность фотоприемника; J 2 - интенсивность светового потока на входе фотоприемника, которая в соответствии с законом Малюса равна

Рис. 3, а.	Рис 3, б.
Рис. 3, в.

здесь J 1 - интенсивность света на входе анализатора; j - угол между поляризатором и анализатором; Q - угол поворота плоскости поляризации, При j=45°

или при малых углах Q

При углах Q=7° погрешность линейности составляет 1%.

На рис. 3 показаны различные виды магнитооптических преобразователей Фарадея. Самый простой преобразователь состоит из магнитооптического элемента 2, расположенного у провода 1 с измеряемым током (рис. 3, а). Уменьшения влияния внешних магнитных полей и увеличения чувствительности средств измерений, основанных на использовании эффекта Фарадея, к току можно достигнуть путем увеличения коэффициента преобразования

Рис. 4, а.
Рис. 4, б.
Рис. 4, в.	Рис. 4, г.

В качестве рабочего вещества для магнитооптических преобразователей применяются стекла, содержащие оксид свинца (флинты, кроны) и плавленый кварц. Особенно большую постоянную Верде имеют пленки из феррита-граната, удельное фарадеевское вращение плоскости поляризации света в которых на два-три порядка больше, чем в стеклах.

Эффект Фарадея заключается в том, что при прохождении плоскополяризованного света через вещество, магнитное поле в котором не равно нулю, возникает вращение плоскости поляризации. Очевидно, эффект Фарадея можно использовать лишь для исследования прозрачных сред. При изучении доменной структуры он может быть применен для очень тонких прозрачных ферромагнитных пленок .

Направление вращения плоскости поляризации зависит от направления намагниченности в домене. Если при исследовании структуры с антипараллельными доменами поляризатор и анализатор скрещены для доменов одного из направлений намагниченности, т.е. свет от этих доменов не проходит, то для доменов противоположного направления намагничености вследствие различного направления вращения плоскости поляризации свет через анализатор пройдет. Таким образом, доменная структура будет видна в виде темных и светлых полос доменов противоположной намагниченности .

Характерно то, что здесь выявляются сами домены, а не границы между доменами, как в случае метода порошковых фигур.

На рисунке 1.13 приведена фотография доменной структуры ферромагнитной пленки толщиной 500?, выявленная с помощью эффекта Фарадея.

Рис.1.13.

Угол поворота плоскости поляризации может быть вычислен по следующей формуле :

где d - путь света в веществе, Н - напряженность магнитного поля, V - постоянная Верде, которая зависит от частоты света, свойств вещества и температуры. Принято постоянную Верде измерять в угловых минутах, деленных на эрстед и сантиметр (мин/Э?см). В оптической промышленности по значению V определяют состав стекла.

Направление вращения, т.е. знак V зависит от направления магнитного поля и не связано с направлением распространения света. Поэтому фарадеевское вращение условно принято считать положительным для наблюдателя, смотрящего по полю, если плоскость поляризации поворачивается по часовой стрелке (вправо).

Очевидно, что с феноменологической точки зрения эффект Фарадея, по аналогии с естественной активностью объясняется тем, что показатели преломления n + и n - для света, поляризованного право- и левоциркулярно, становятся различными при помещении оптически неактивного вещества в магнитное поле. Детальная интерпретация эффекта Фарадея возможна лишь на основе квантовых представлений. Конкретный механизм явления может быть несколько различным в разных веществах и в разных областях спектра. Однако, с точки зрения классических представлений, эффект Фарадея всегда связан с влиянием на дисперсию вещества частоты, с которой оптические электроны совершают ларморовскую прецессию вокруг направления магнитного поля, и может быть получен на основе классической теории дисперсии. В диэлектриках в видимой области спектра дисперсия определяется связанными электронами, которые совершают вынужденные колебания под действием электрического поля световой волны. Вещество рассматривается как совокупность таких классических осцилляторов. Тогда, записав и решив уравнение движения электронов отдельно для лево- и правоциркулярно поляризованной волны, можно получить выражение для угла поворота плоскости поляризации в виде :

здесь е - заряд электрона, m -масса электрона, N - концентрация электронов, щ - частота света, с - скорость света в вакууме, щ 0 - собственная частота осциллятора.

Более высокого разрешения (до 100 нм) позволяет достичь микроскопия Керра. В таком микроскопе поворот плоскости поляризации светового пучка происходит не при прохождении магнитооптического кристалла, а при его отражении непосредственно от рабочей поверхности носителя. Однако полученные с помощью микроскопа Керра изображения имеют более низкий контраст, а стоимость оборудования значительно выше, поэтому на практике для исследования магнитных носителей чаще используют магнитооптический метод визуализации на феррит-гранатовых пленках.

Наиболее близким к решению поставленной задачи является способ визуализации магнитного поля, включающий помещение в это поле магнитооптического преобразователя, выполненного в виде нанесенной на прозрачную подложку висмутсодержащей монокристаллической пленки феррит-граната, и регистрацию распределения векторов намагниченности по ее площади с помощью магнитооптического эффекта Фарадея. Для визуализации неоднородного магнитного поля достаточно наблюдать в микроскоп или на экране компьютера магнитооптическое изображение, возникающее в индикаторной магнитной пленке, которое отображает картину полей рассеяния. Такое изображение несет качественную (опосредованную) информацию о распределении (рисунке) магнитного поля и может применяться для идентификации магнитных меток .

На сегодняшний день известны и уже успешно применяются для визуализации неоднородного магнитного поля Bi-содержащие пленки ферритов-гранатов. Bi обеспечивает большое магнитооптическое вращение плоскости поляризации (эффект Фарадея) и, соответственно, высокий контраст изображения.