Faraday-Effekt

Der Faraday-Effekt beschreibt die Drehung der Polarisationsebene einer polarisierten elektromagnetischen Welle wie beispielsweise im Bereich der Magnetooptik bei dem Durchgang von Licht durch ein transparentes Medium, an das ein zeitlich konstanter magnetischer Fluss parallel zur Ausbreitungsrichtung der Lichtwelle angelegt wurde. Er tritt in den meisten dielektrischen Materialien (einschließlich Flüssigkeiten) auf, wenn sie einem starken magnetischen Feld ausgesetzt werden. Die Drehung der Polarisationsebene ist allgemein umso größer, je stärker die angelegte magnetische Flussdichte ist.

Spule von Faraday mit welcher er 1845 den magnetooptischen Effekt entdeckte

Geschichte

Der Faraday-Effekt wurde von Michael Faraday am 13. September 1845 entdeckt. Er wurde als erster experimenteller Hinweis dafür gedeutet, dass Licht und Magnetismus miteinander in Beziehung stehen. Dass Licht als elektromagnetische Welle beschrieben werden kann, wurde theoretisch wenige Jahre später von James Clerk Maxwell hergeleitet.

Beschreibung

Polarisationdrehung aufgrund des Faraday-Effektes

Weist das Medium auch ohne ein angelegtes Magnetfeld einen Einfluss auf die Polarisationebene auf, spricht man von optischer Aktivität.

Der Drehwinkel β, um den sich die Polarisationsebene dreht, berechnet sich wie folgt:

$\beta = V \cdot d \cdot B$

d ist die Länge des Lichtweges durch die Substanz, B die magnetische Flussdichte und V die Verdet-Konstante. V ist vom Medium und von der Wellenlänge abhängig.

Eine positive Verdet-Konstante führt zu einer mathematisch negativen Drehung, wenn das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung liegt. Ein antiparalleles Magnetfeld führt dann zu einer mathematisch positiven Drehung (Siehe Bild). Das bedeutet, dass sich für eine Welle, die das Medium zweimal in jeweils entgegengesetzter Richtung durchläuft (hin und zurück), die Rotation verdoppelt.

Eine wichtige Anwendung des Faraday-Effektes ist der optische Isolator. Für diese und andere Anwendungen werden Materialien mit hoher Verdet-Konstante verwendet, wie beispielsweise mit Terbium dotierte Gläser und Terbium-Gallium-Granat.

Mikrowellen

Faraday-Rotator als Hohlleiter für Mikrowellen mit ca. 9 GHz

Neben der Optik tritt der Faraday-Effekt auch bei vormagnetisierten Ferriten auf und wird in Frequenzbereichen von einigen Gigahertz im Bereich von Mikrowellen zum Aufbau von Gyratoren und zur Realisierung von Faraday-Rotatoren verwendet. Durch die Drehung der Polarisationsebene können so in der Hochfrequenztechnik spezielle Formen von Zweitoren zur Transformation von Impedanzen in ihre dualen Impedanzen realisiert werden.

Der Faraday-Rotator, welcher in diesem Fall in einem Hohlleiter angeordnet ist, weist zwei orthogonal zueinander stehende Hohlleiterausgänge auf, die hineinlaufende Welle lässt sich durch Ändern des Magnetfeldes durch eine Steuerleitung jeweils auf einen der Ausgänge schalten, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt.

Siehe auch

• Magnetooptik
• Magnetooptischer Kerr-Effekt

Literatur

• Karl Küpfmüller, Wolfgang Mathis, Albrecht Reibiger: Theoretische Elektrotechnik. 18. Auflage. Springer, 2008, ISBN 978-3-540-78589-7, doi:10.1007/978-3-540-78590-3.