Magnetooptischer Effekt / Faradayeffekt

Bildquelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Michael_Faraday

Michael Faraday war eine herausstechende Persönlichkeit, welche in vielen Bereichen der Physik/Chemie seine Spuren hinterlassen hat. Mit seinem Namen sind zum Beispiel folgende Dinge verknüpft:

  • das Faraday’sche Induktionsgesetz
  • der Faradaykäfig
  • die Faraday-Konstante aus der Elektrochemie
  • die Einheit Farad für die Kapazität C eines Kondensators
  • der Faraday-Effekt

Um letzteren soll es hier gehen. Meinen Beitrag zum sog. elektrooptischen Effekt gibt es hier zu lesen: https://stoppi-homemade-physics.de/elektrooptischer-effekt-pockels-bzw-kerrzelle/

Der magnetooptische Effekt oder auch Faraday-Effekt genannt behandelt die Drehung der Polarisationsebene von Licht, wenn dieses ein zur Ausbreitungsrichtung parallel orientiertes Magnetfeld durchläuft.

Jede linear polarisierte Welle kann als Überlagerung zweier zirkular polarisierter Wellen gleicher Frequenz mit entgegengesetztem Umlaufsinn interpretiert werden. Verläuft die Ausbreitungsrichtung parallel zu den Magnetfeldlinien, unterscheiden sich in vielen Materialien die Brechungsindexe  nLinks und nRechts für diese beiden zirkular polarisierten Wellen. Mit dem Brechungsindex nMedium hängt aber auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit cMedium im jeweiligen Medium zusammen. Es gilt der einfache Zusammenhang:

cMedium = cVakuum / nMedium

Je höher der Brechungsindex n, desto langsamer breitet sich die elektromagnetische Welle in diesem Medium aus. Die links zirkular polarisierte Welle läuft also im Magnetfeld mit einer anderen Geschwindigkeit in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls (Achtung: Die Winkelgeschwindigkeit der zirkularen Bewegung bleibt aber gleich. Dies habe ich durch weiterhin gleich lange Bewegungspfeile grafisch dargestellt!) als die rechts polarisierte. Dadurch besitzen beide “Wellenpunkte” an einem bestimmten Ort entlang der Ausbreitungsrichtung nun eine nicht mehr um die y-Achse gespiegelte Position zueinander wie noch in der oberen Abbildung.

Die Überlagerung der beiden zueinander veränderten Positionen ergibt aber nach wie vor eine linear polarisierte Schwingung, jedoch ist deren Schwingungsebene nun geneigt und fällt nicht mehr mit der y-Achse zusammen. Mit zunehmender Position entlang der Ausbreitungsrichtung wächst diese Neigung des linear polarisierten Lichts. Am Ende des Magnetfelds beträgt der Drehwinkel β (siehe nachfolgende Abbildung).

Bildquelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Faraday-Effekt

Für den Drehwinkel β gilt die einfache Formel:  β = k · d · B

k ist eine vom Material und der Wellenlänge abhängige Konstante, d ist die Länge des vom Magnetfeld durchsetzten Bereichs und B ist die magnetische Flussdichte.


Experiment:

Normalerweise verwendet man für den Faradayeffekt große Elektromagneten mit großen U-Kernen. In diesem Video wurde der Effekt aber bereits mit einer relativ kleinen Zylinderspule nachgewiesen: https://www.youtube.com/watch?v=XhU-nNiAgtI

Benötigt werden neben der Zylinderspule noch eine Lichtquelle, 2 Polarisationsfilter, ein passendes Glasgefäß, Olivenöl und ein stärkeres variables Netzteil.

Die Polarisationsfolie ist mittlerweile eingetroffen. Jetzt brauche ich nur noch ein passenden Glasgefäß mit 15 cm Innendurchmesser, damit ich die Spule in Olivenöl einlegen kann.

Als perfekt passendes Glasgefäß hat sich eine breite Kaffeekanne herausgestellt, welche ich um 8 Euro gekauft habe. Jetzt fehlt nur noch das Olivenöl, dann kann ich den Versuch durchführen.

Nachdem ich das Olivenöl gekauft hatte, konnte ich heute den Versuch zum Faraday-Effekt durchführen. Durch die Spule floß bei 20 V ein Strom mit 5 A. Der Effekt ist jetzt nicht gerade berauschend, aber doch gut zu sehen.