İçeriğe atla

Faraday etkisi

Fizikte, Faraday etkisi (ya da Faraday devri) ışığın ve manyetik alanın bir ortam içindeki ilişkisini ele alan bir manyeto-optik olgudur. Faraday etkisi, yayınım yönündeki manyetik alan bileşenine neredeyse dik olan bir polarize levhanın dönmesine neden olur.

1845'te Michael Faraday tarafından bulunan Faraday etkisi, ışığın ve elektromanyetizmanın birbiriyle ilişkili olduğunu gösteren ilk deneysel bulgudur. Elektromanyetik radyasyonun teorik temelleri 1860 ve 1870'lerde James Clerk Maxwell tarafından atılmıştı. Faraday etkisi, manyetik alanlar tarafından etkilenen çoğu transparan dielektrik materyalde (sıvılar dahil) gözlenir.

Faraday etkisi, dairesel çiftkırılım olarak da adlandırılan, sol ve sağ dairesel polarize olmuş dalgaların çok az bir hız farkıyla yayınımlarına neden olur. Lineer polarize olmuş bir dalga, dairesel polarize iki dalgaya ayrışabileceğinden, aralarında Faraday etkisi tarafından meydan gelen faz farkı dalganın polarizasyon eksenini döndürür.

Faraday etkisinin ölçüm cihazları üzerinde birkaç uygulaması vardır. Örneğin, Faraday etkisi optik rotasyonlu güç ölçümü için ve manyetik dalgaların uzaktan algılanmasında kullanılıyor. Ayrıca, spintronik araştırmalarında yarıiletkenlerdeki elektron spinlerinin polarizasyonunu tetkikte de kullanılıyor. Faraday rotatörleri ışığın genlik ayarlamalarında ve optik telekomünikasyon ile lazer uygulamalarında oldukça önemli bileşenler olan optik yalıtkanlar ile optik sirkülatörde kullanılıyor.[1]

Matematiksel ifade

Polarizasyonun açısal rotasyonu ve transparan bir maddedeki manyetik alan arasında ilişki şu şekilde ifade edilebilir:

Faraday etkisi ile polarizasyon rotasyonu

Faraday etkisinden dolayı oluşan polarizasyon rotasyonu β, rotasyon açısı (birimi radyan)

B, yayılım yönündeki manyetik akı yoğunluğu (birimi Tesla)

d, ışık ve manyetik alanın etkileştiği yolun uzunluğu (birimi metre)

materyalin Verdet sabiti. Ampirik olarak bulunmuş olan bu orantı sabiti dalga boyu ve sıcaklık ile değişkendir ve değişik materyaller için değerleri tablolaştırılmıştır.

Positif Verdet sabiti, yayılım yönü manyetik alana paralel ise L-rotasyonuna (saat yönünün tersine), yayılım yönü manyetik alana anti-paralel ise R-rotasyonuna (saat yönü) karşılık gelir. Yani, eğer ışın hüzmesi materyalden geçerse ve tekrar içerisinden geri yansırsa, rotasyon iki katına çıkar.

Terbiyum, galyum, grena (TGG) gibi bazı materyaller oldukça yüksek Verdat sabitlerine sahiptir (≈ −40 rad T−1 m−1). Bu materyallerden bir çubuğu güçlü bir manyetik alan içine yerleştirirsek, 0.78 radyandan (45 derece) fazla Faraday rotasyon açısı elde edilebilir. Bu olay, ışığı tek yönde ileten Faraday yalıtkanlarının temel bileşenlerinden olan Faraday döngenlerinin yapılabilmesine olanak sağlar.

Manyetik alan içine yerleştirilen ferrit çubuklar kullanarak benzer yalıtkanlar yapılmıştır.

Yıldızlararası ortamda Faraday rotasyonu

Başlangıç noktasından Dünya üzerine gelene kadar yıldızlararası ortamdan yayılım yapan ışık Faraday etkisine maruz kalır. Burada, etkiye serbest elektronlar neden olur ve bu etki iki çembersel polarizasyon modunun kırıcılık indisleri arasındaki farktan oluşurmuşcasına karakterize edilebilinir. Yani, katı ya da sıvı cisimlerdeki Faraday etkisinin aksine, yıldızlararası Faraday rotasyonu basit bir şekilde ışığın dalgaboyu (λ) ile ilişkilidir:

etkinin ortalama gücü RM (Rotasyon Miktarı) ile karakterize edilmiştir. Bu miktar, yıldızlararası manyetik alanın eksenel bileşenine, B|| ve elektronların sayısal yoğunluğuna, ne, bağlıdır. Bu bağımlılıkların her ikisi de yayılım yolu boyunca değişir. CGS birimleri ile, rotasyon miktarı şu şekilde verilir:

Ya da SI birimleri ile:

ne(s) elektronların yol üzerindeki her noktada olan yoğunluğu
B||(s) yıldızlararası manyetik alanın yol üzerindeki her noktadaki, s, yayılım yönündeki bileşeni
e elektronun yükü
c vakumdaki ışık hızı
m elektronun kütlesi
' vakum dielektrik sabiti

Yukarıdaki integral, kaynaktan gözlemciye kadar olan bütün yol üzerinden alınır.

Faraday rotasyonu, manyetik alanların ölçümü açısından astronomide önemli bir araçtır. Manyetik alanlar, elektron yoğunluğu bilindiği takdirde rotasyon miktarı ile tahmin edilebilinir.[2] Radyo pulsarlarında, bu elektronların neden olduğu dağılım, farklı dalgaboylarında alınan sinyallerin arasında zaman farkı olmasına neden olur. Bu fark, elektronların sütun yoğunluklarıyla ya da dağılım miktarıyla ölçülebilinir. Dağılım ve rotasyon miktarlarının her ikisinin de ölçümü görüş mesafesindeki manyetik alanın ağırlıklı ortalamasını verir. Aynı bilgi, eğer yayılım ve rotasyon miktarları yayılım yolunun uzunluğu ve tipik elektron yoğunluklarının mantıklı tahminleriyle pulsarlardan başka cisimlerle de elde edilebilir. Güneş tacı tarafından gizlenmiş galaksi dışı kaynaklardan gelen polarize radyo sinyallerinin Faraday rotasyon miktarları, güneş tacındaki plazmanın elektron yoğunluğunu ve oluşturduğu manyetik alanının gücünü ve yönünü tahmin etmekte kullanılabilinir.[3]

İyonosferdeki Faraday rotasyonu

Dünya'nın iyonosferinden geçen radyo dalgaları da benzer şekilde Faraday etkisine maruz kalır. Positif iyonların aksine iyonosferdeki plazmada bulunan serbest elektronlar, yukarıdaki denkleme göre Faraday rotasyonuna katkıda bulunur. Positif iyonlar görece ağır olduklarından çok az etkileri olur. Dünya'nın manyetik alanına bağlı olarak, sonuç olarak radyo dalgalarının polarizasyonlarının rotasyonları vuku bulur. Güneş lekesinin çevriminden dolayı iyonosferdeki elektronların yoğunlukları günlük olarak çok değişken olduğundan, etkinin büyüklüğü değişir. Buna rağmen, etki her zaman dalga boyunun karesi ile orantılıdır ve, UHF televizyon frekansında bile (500 MHz (λ= 60 cm)) polarizasyon ekseninin tam rotasyonu birden fazla kez olabilir. Sonuç olarak, çoğu radyo vericisi antenler dikey ya da yatay polarize olsalar da, ortamın ya da kısa dalgaboylu sinyallerin iyonosferden yansıdıktan sonraki polarizasyonları tahmin edilemezdir. Fakat, serbest elektronlar tarafından oluşan Faraday etkisi frekans arttıkça (dalga boyu azaldıkça) hızla azaldığından, uydu iletişimlerinde mikrodalga frekansları kullanılır ve iletilen polarizasyon yerde ve uyduda aynı şekilde elde edilebilinir.

Ayrıca bakınız

  • Magneto-optik Kerr etkisi
  • Elektro-optik Kerr etkisi
  • Faraday döngenleri
  • Tersine Faraday etkisi
  • Optik rotasyon
  • Voigt etkisi
  • Polarizasyon spektroskopisi
  • Manyetik dairesel çiftkırılım

Kaynakça

  1. ^ Bakınız http://www.rp-photonics.com/regenerative_amplifiers.html 15 Mayıs 2011 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
  2. ^ Longair, Malcolm (1992). High Energy Astrophysics. Cambridge University Press. ISBN 0521435846. 
  3. ^ Mancuso S. and Spangler S. R. "Faraday Rotation and Models for the Plasma Structure of the Solar Corona" (2000), The Astrophysical Journal, 539, 480–491

İlgili Araştırma Makaleleri

<span class="mw-page-title-main">Maxwell denklemleri</span>

Maxwell denklemleri Lorentz kuvveti yasası ile birlikte klasik elektrodinamik, klasik optik ve elektrik devrelerine kaynak oluşturan bir dizi kısmi türevli (diferansiyel) denklemlerden oluşur. Bu alanlar modern elektrik ve haberleşme teknolojilerinin temelini oluşturmaktadır. Maxwell denklemleri elektrik ve manyetik alanların birbirileri, yükler ve akımlar tarafından nasıl değiştirildiği ve üretildiğini açıklamaktadır. Bu denklemler sonra İskoç fizikçi ve matematikçi olan ve 1861-1862 yıllarında bu denklemlerin ilk biçimini yayımlayan James Clerk Maxwell' in ismi ile adlandırılmıştır.

<span class="mw-page-title-main">Elektromanyetik radyasyon</span>

Elektromanyetik radyasyon, elektromanyetik ışınım, elektromanyetik dalga ya da elektromıknatıssal ışın bir vakum veya maddede kendi kendine yayılan dalgalar formunu alan bir olgudur. Elektromanyetik dalgalar, yüklü bir parçacığın ivmeli hareketi sonucu oluşan, birbirine dik elektrik ve manyetik alan bileşeni bulunan ve bu iki alanın oluşturduğu düzleme dik doğrultuda yayılan, yayılmaları için ortam gerekmeyen, boşlukta c ile yayılan enine dalgalardır. Elektromanyetik dalgalar, frekansına göre değişik tiplerde sınıflandırılmıştır. Bu tipler sırasıyla :

<span class="mw-page-title-main">İyonosfer</span>

İyonosfer, atmosferin elektromanyetik dalgaları yansıtacak miktarda iyonların ve serbest elektronların bulunduğu 70 km ile 400 km lik kısmı. Termosferi tamamen kapsarken, mezosfer ve ekzosferin bir kısmını kapsar.

<span class="mw-page-title-main">Elektrostatik</span> durağan elektrik yüklerinin incelenmesi

Elektrostatik, duran veya çok yavaş hareket eden elektrik yüklerini inceleyen bir bilim dalıdır.

<span class="mw-page-title-main">Rayleigh saçılması</span>

Rayleigh saçılımı, ışığın veya diğer elektromanyetik radyasyonun, ışığın dalga boyundan daha küçük tanecikler tarafından saçılımını ifade eder. Bu isim, İngiliz fizikçi Lord Rayleigh'ın adına ithafen verilmiştir.

Lorentz kuvveti, fizikte, özellikle elektromanyetizmada, elektromanyetik alanların noktasal yük üzerinde oluşturduğu elektrik ve manyetik kuvvetlerin bileşkesidir. Eğer q yük içeren bir parçacık bir elektriksel E ve B manyetik alanın var olduğu bir ortamda v hızında ilerliyor ise bir kuvvet hissedecektir. Oluşturulan herhangi bir kuvvet için, bir de reaktif kuvvet vardır. Manyetik alan için reaktif kuvvet anlamlı olmayabilir, fakat her durumda dikkate alınmalıdır.

<span class="mw-page-title-main">Ampère kanunu</span>

Klasik elektromanyetizmada Ampère yasası kapalı bir eğri üzerinden integrali alınmış manyetik alanla o eğri üzerindeki elektrik akımı arasındaki ilişkiyi açıklayan yasadır. James Clerk Maxwell yasayı hidrodinamik olarak 1861 tarihli Fizikte kuvvet çizgileri üzerine makalesinde tekrar kanıtlar. Yasanın matematiksel ifadesi şu anda klasik elektromanyetizmayı oluşturan dört temel Maxwell denkleminden biridir.

Optik yalıtıcı veya diğer adıyla optik diyot, ışığın sadece bir tarafa geçmesine izin veren, diğer yöne geçmesini engelleyen bir optik bileşendir. Genel olarak, bir optik salınıcının içinde oluşabilecek, ters yönde ilerleyen istenmeyen ışığı engellemek için kullanılır. Ana bileşeni bir Faraday döndürücüsüdür. Faraday döndürücüsü, bir manyeto-optik etki olan Faraday etkisini kullanarak çalışır.

<span class="mw-page-title-main">Polarizasyon</span>

Polarizasyon dalganın hareket yönüne dik gelen düzlemdeki salınımların yönünü tanımlayan yansıyan dalgaların bir özelliğidir. Bu kavram dalga yayılımı ile ilgilenen optik, deprembilim ve uziletişim gibi bilim ve teknoloji sahalarında kullanılmaktadır. Elektrodinamikte polarizasyon, ışık gibi elektromanyetik dalgaların elektrik alanının yönünü belirten özelliğini ifade eder. Sıvılarda ve gazlarda ses dalgaları gibi boyuna dalgalar polarizasyon özelliği göstermez çünkü bu dalgaların salınım yönü uzunlamasınadır yani yönü dalganın hareketinin yönü tarafından belirlenmektedir. Tersine elektromanyetik dalgalarda salınımın yönü sadece yayılımın yönü ile belirlenmemektedir. Benzer şekilde katı bir maddede yansıyan ses dalgasında paralel stres yayılım yönüne dik gelen bir düzlemde her türlü yönlendirmeye tabi olabilir.

<span class="mw-page-title-main">Elektromanyetik alan</span>

Elektromanyetik alan, Elektrik alanı'ndan ve Manyetik alan'dan meydana gelir.

<span class="mw-page-title-main">Radyasyon</span> Uzayda hareket eden dalgalar veya parçacıklar

Radyasyon veya ışınım, elektromanyetik dalgalar veya parçacıklar biçimindeki enerji yayımı ya da aktarımıdır. "Radyoaktif maddelerin alfa, beta, gama gibi ışınları yaymasına" veya "Uzayda yayılan herhangi bir elektromanyetik ışını meydana getiren unsurların tamamına" da radyasyon denir. Bir maddenin atom çekirdeğindeki nötronların sayısı, proton sayısına göre oldukça fazla veya oldukça az ise; bu tür maddeler kararsız bir yapı göstermekte ve çekirdeğindeki nötronlar alfa, beta, gama gibi çeşitli ışınlar yaymak suretiyle parçalanmaktadırlar. Çevresine bu şekilde ışın saçarak parçalanan maddelere radyoaktif madde denir.

Çift kırılma, bir ışının anisotropik (eşyönsüz) maddelerden geçerken iki ışına ayrışmasıdır. Kalsit ya da boron nitrit bu türden maddelere örnek olarak verilebilir. Bu etki ilk olarak Danimarkalı bilim adamı Rasmus Barthonlin tarafından 1669da kalsit üzerinde gözlemlendi. Bu etkinin belli plastik, manyetik, çeşitli kristal yapıda olmayan maddeler ve sıvı kristallerde de olur.

<span class="mw-page-title-main">Brewster açısı</span>

Brewster açısı, belirli bir polarizasyona sahip ışığın transparan bir dielektrik yüzeyden mükemmel şekilde geçip hiç yansımadığı geliş açısıdır. Bu açıda "polarize olmamış" bir ışık gelirse, yüzeyden yansıyan bu ışık dolayısıyla mükemmel polarizedir. Bu özel geliş açısına İskoç fizikçi Sir David Brewster'dan sonra (1781-1868) kendisinin ismi verilmiştir.

<span class="mw-page-title-main">Polarizör</span>

'Polarizör tanımlanmamış ya da karışık polarizasyona sahip elektromanyetik dalgalardan oluşan bir ışın demetini iyi-tanımlanmış bir polarizasyona sokan bir alettir. Genel polarizör tipleri doğrusal polarizörler ve dairesel polarizörlerdir. Polarizörler birçok optik teknikle ve aletle, polarize filtreler ise fotoğrafçılık uygulamalarında ve sıvı kristal ekran teknolojisinde kullanılmaktadır.

<span class="mw-page-title-main">Polarizörler</span>

Polarizörler belirli bir polarizasyondaki ışığı geçirip diğer polarizasyondaki dalgaları bloke eden optik filtrelerdir. Tanımlı olmayan veya karışık bir polarizasyona sahip bir ışık demetini iyi tanımlanmış polarizasyondaki bir demete dönüştürür. Yaygın polarizör çeşitleri lineer(doğrusal) polarizörler ve dairesel polarizörlerdir. Polarizörler birçok optik teknik ve alette kullanılır, polarize filtreler de fotoğrafçılıkta ve sıvı kristal ekranlarda uygulama sağlar. Polarizörler aynı zamanda ışıktan başka elektromanyetik dalgalar, örneğin radyo dalgaları, mikrodalgalar, X-ışınları için de yapılabilir.

<span class="mw-page-title-main">Yer değiştirme akımı</span>

Elektromanyetizmada yer değiştirme akımı elektrik yer değiştirme alanının değişim oranıyla tanımlanan bir niceliktir. Yer değiştirme akımının birimi akım yoğunluğu cinsinden ifade edilir. Yer değiştirme akımı gerçek akımlar gibi manyetik alan üretir. Yer değiştirme akımı hareketli yüklerin yarattığı bir elektrik akımı değil; zamana bağlı olarak değişim gösteren elektrik alanıdır. Maddelerde, atomun içerisinde bulunan yüklerin küçük hareketlerinin de buna bir katkısı vardır ki buna dielektrik polarizasyon denir.

Elektromanyetik indüksiyon, değişen bir alana maruz kalmış bir iletkenin üzerindeki potansiyel fark (voltaj) üretimidir.

<span class="mw-page-title-main">Magnetostatik</span>

Magnetostatik, Akımın sabit olduğu sistemlerdeki Manyetik alanlar üzerine çalışan bir alandır. Yüklerin sabit olduğu Elektrostatikin bir manyetik analoğudur. Mıknatıslanma, statik olmak zorunda değildir. Magnetostatik eşitlikleri, nanosaniyede ya da daha kısa sürede manyetik cereyanları tahmin etmek için kullanılabilir. Magnetostatik, akımlar sabit olmadığında bile yeterince iyi bir yaklaşımdır. Akımların sürekli değişmemesi gerekir. Magnetostatik, mikro manyetiğin çok kullanılan bir uygulamasıdır. Manyetik kayıt cihazları gibi.

Fizikte iki dalga kaynağı eğer sabit bir faz farkları varsa ve eşit frekansa sahip ise mükemmel bir uyuma sahiptir. Bu dalgaların sabit girişime olanak veren ideal bir özelliğidir. Asla oluşmayacak durumları sınırlayan ve dalga fiziğinin anlaşılmasına yardımcı olan farklı kavramları içerir ve kuantum fiziğinde çok önemli bir konsept olmuştur. Daha genel olarak, uyumluluk tek bir dalganın veya birçok dalga içeren dalga paketlerinin fiziksel özelliklerini tanımlar.

<span class="mw-page-title-main">Doğrusal olmayan optik</span>

Doğrusal olmayan optik ya da nonlineer optik, ışığın doğrusal olmayan sistem ve malzemelerdeki davranışı ile özelliklerini inceleyen optiğin bir alt dalıdır. Bu malzemelerde elektrik alan () ile polarizasyon yoğunluğu () arasındaki ilişki doğrusal değildir; bu durum daha çok yüksek genlikte (108 V/m seviyelerinde) ışık veren lazerlerde ve lityum niobat gibi kristal yapılarında görülür. Schwinger sınırından daha kuvvetli alanlarda vakum da doğrusallığını kaybeder. Süperpozisyon prensibi bu malzemeler için geçerli değildir.