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法拉第磁光效应

      一个人只要肯干、自强,即便生活在社会底层也能取得伟大成就。—法拉第(M.Faraday)
一、法拉第磁光效应——电场和磁场结伴而行
       把非旋光材料(如玻璃)放在强磁场中,当平面偏振光沿着磁场方向入射到非旋光材料时,光偏振面将发生右旋转,如图5.1.1a所示,这种效应就称作法拉第(Faraday)效应,它由法拉第在1845年首先观察到。旋转角θ和磁场强度与材料长度的乘积成比例,即
旋转角θ和磁场强度与材料长度的乘积成比例
       式中,ρ是材料的维德(Vertet)常数,表示单位磁场强度使光偏振面旋转的角度,对于石英光纤,ρ=4.68×10-6rad/A,H是沿入射光方向的磁场强度,单位是安每米(A/m),L是光和磁场相互作用长度,单位为m。如果反射光再一次通过介质,则旋转角增加到2θ。磁场由包围法拉第介质的稀土磁环产生,起偏器由双折射材料(如方解石)担当,它的作用是将非偏振光变成线性偏振光,因为它只让与自己偏振化方向相同的非偏振光分量通过,法拉第介质可由掺杂的光纤或者维德常数较大的材料构成。图5.1.1b表示商用法拉第旋转器。
法拉第磁光效应及法拉第旋转器
图5.1.1法拉第磁光效应及法拉第旋转器
a)法拉第磁光效应b)商用法拉第旋转器
二、 法拉第的伟大贡献
       法拉第在化学、电化学、电磁学等领域都做出过杰出贡献。他幼年家境贫寒,未受过系统的正规教育,但却在众多领域中做出惊人成就,堪称刻苦勤奋、探索真理、不计个人名利的典范。
       1791年9月22日,法拉第生于萨里郡纽因顿的一个铁匠家庭。13岁就在一家书店当送报和装订书籍的学徒。他有强烈的求知欲,挤出一切休息时间贪婪地力图把他装订的所有书籍内容都从头到尾读一遍。读后还临摹插图,工工整整地做读书笔记;用一些简单器皿照着书上进行实验,仔细观察和分析实验结果,把自己的阁楼变成了小实验室。在这家书店呆了8年,他废寝忘食、如饥似渴地学习。他后来回忆这段生活时说:“我就是在工作之余,从这些书里开始找到我的哲学。
       在哥哥的赞助下,1810年他听了十几次自然哲学的通俗讲演,1812月又连续听了在皇家学院实验室工作的戴维的4次讲座,从此燃起了进行科学研究的愿望。他想到皇家学院工作,写信给戴维称“不管干什么都行,只要是为科学服务。”后经戴维推荐,1813年3月,24岁的法拉第担任了皇家学院助理实验员,1824年被选为皇家学会会员,1825年接替戴维任皇家学院实验室主任,1833年任皇家学院化学教授,工作长达50余年。1821年,发现通电导线能绕磁铁旋转,从而跻身著名电学家的行列。1824年起研制光学玻璃,1845年利用自己研制出的硅酸硼铅玻璃,发现磁致旋光效应。
        他认为电与磁是一对和谐的对称现象。既然电能生磁,他坚信磁亦能生电。经过10年探索,历经多次失败后,1831年8月26日他终于获得成功。同年10月17日完成了在磁体与闭合线圈相对运动时在闭合线圈中激发电流的实验,他称之为“磁电感应”,经过大量实验,他终于实现了“磁生电”的夙愿,宣告了电气时代的到来。
        法拉第的成就源于勤奋,他的主要著作有《日记》和《电学实验研究》,前者由16041个实验汇编而成,后者由3362个实验汇编而成。
       他生活简朴,不尚华贵,以致有人到皇家学院实验室做实验时错把他当作守门的老头;当英王室准备授予他爵士称号时,他多次婉言谢绝说:“法拉第出身平民,不想变成贵族。”
        1867年8月25日法拉第逝世,墓碑上照他的遗愿只刻有他的名字和出生年月。在法拉第(图5.1.2a)所处的年代,人们都认为万物均由原子构成,他却提出电和磁不是由原子组成,而是以介质空间中“场”的形式存在,如图5.1.2b所示。他还指出,可以用场中的力线表示场,不管是电力和磁力还是自然界各种各样的力,归根结底都可以统一为一种力。他的这些思想为19世纪之后自然科学的发展道路指明了方向。正如爱因斯坦所说,引入场的概念,是法拉第最富有独创性的思想,是牛顿以来最重要的发现。
       法拉第发现了许多电磁现象,在电磁学的发展方面做出了卓越的贡献。1821年9月,他在实验中首次发现通电导线绕磁铁旋转的现象,在人类历史上第一次实现了电磁运动与机械运动的转换。他呕心沥血10年,于1831年10月17日,完成了在磁体与闭合线圈相对运动时在闭合线圈中激发电流的实验,如图5.1.3所示,他总结出著名的法拉第电磁感应定律。
英国物理学家法拉第用场表示磁
图5.1.2英国物理学家法拉第及其伟大贡献——用场表示磁
a)法拉第(1791—1867年)像b)磁铁周围的磁场
磁体与闭合线圈相对运动时在闭合线圈中激发电流
图5.1.3磁体与闭合线圈相对运动时在闭合线圈中激发电流
        就在这一年,法拉第还完成了变压器的研究。这些实验为人类步入电气化时代奠定了基础。由此人们发明了发电机、电动机、变压器。现在,电学和化学上的一些单位和定律也均以法拉第的名字命名。