3.3.2. Эффект Фарадея

Эффект Фарадея – вращение плоскости поляри­зации линейно поляризованного света в оптически активных веществах под действием магнитного поля.

Структурная схема эффекта Фарадея имеет вид, показанный на рис. 3.15. Магнитное вращение плоскости поляризации обусловлено возникновением ассиметрии оптических свойств вещества под действием магнитного поля. Направление вращения плоскости поляризации зависит только от природы вещества и направления магнитного поля. Знак вращения отсчитывается для наблюдателя, смотрящего вдоль магнитного поля. Большинство веществ дает правое (положительное) вращение: все диамагнитные и некоторые парамагнитные вещества дают правое вращение; отрицательное вращение дают некоторые парамагнитные вещества.

Угол поворота плоско­сти поляризации светаθможет быть определен как

, (3.40)

где С_В – постоянная Верде; l – длина пути света в вещест-

в

Рис. 3.15

е;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.

Уравнение (3.40) справедливо для составляющей индукции B_l, направленной вдоль пути света. Знак углаθ зависит от направ­ления вектора магнитной индукции, но не зависит от направления света, что позволяет увеличить угол θ, если свет многократно про­пускать через ячейку Фарадея.

Эффект Фарадея используется для измерения магнитной индукции и тока.

При использовании эффекта Фарадея измерение магнитной индукции сводится к измерению угла поворота плоскости поляриза­ции света. При измерении тока магнитная индукция создается измеряемым током.

На рис. 3.16а показан простой магнитооптический преобразователь для измерения тока, который состоит из магнитооптической ячейки Фарадея, расположенной вблизи провода с током [23].

Для повышения чувствительности в преобразователях на основе эффекта Фарадея используется увеличение длины пути прохождения светового луча в ячейке Фарадея за счет многократного отражения (рис. 3.16б) или использование многовитковой ячейки Фарадея из гибкого волоконного световода (рис. 3.16в). Для преобразователя с волоконным световодом зависимость между током и углом поворота плоскости света имеет вид

θ = C_B μ₀ I_x . (3.41)

а б в

1 – проводник с током; 2 – ячейка Фарадея; 3 – отражатель света

Рис. 3.16

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.

Пример измерителя тока на эффекте Фарадея показан на рис. 3.17.

1– источник света; 2 – поляризатор; 3 – измеряемый ток;

4 – ячейка Фарадея; 5 – анализатор; 6 – фотоприемник

Рис. 3.17

В качестве источника оптического излучения 1 используется лазер, свет от которого через поляризатор 2 направляется к преобразователю Фарадея 4. Свет, пройдя через ячейку 4, анализатор 5, принимается фотоприемником 6.

Выходным сигналом является фототок I_Фили выходное напряжениеU_вых:

; , (3.42)

где R_H – сопротивление нагрузки фотоприемника;S_Ф– чувствительность фотоприемника;J_ВЫХ – интенсивность светового потока на входе (на выходе анализатораJ_ВЫХ) фотоприемника,

, (3.43)

где J– интенсивность света на входе анализатора; φ – угол между поляризатором и анализатором;θ – угол поворота плоскости поляризации.

Так как угол θповорота плоскости поляризации зависит от измеряемого токаI_Х, создающего магнитное поле, то по значению выходного сигнала фотоприемника (J_ВЫХилиU_ВЫХ) можно судить о значении измеряемого тока.