волна фарадея что это

Физики смоделировали завихрения в океане при помощи стакана воды

Ученые из ряда российских институтов, включая МФТИ, поняли, как волны на поверхности жидкости образуют вихревые течения, рассмотрев явления, которыми другие исследователи пренебрегали. Результаты теоретических расчётов полностью подтвердились экспериментами и были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Авторы статьи — сотрудники Института физики твердого тела, Института теоретической физики имени Ландау и МФТИ — разработали и проверили теорию для капиллярных (маленьких) размеров, однако, по их словам, эта теория может быть использована для анализа вихревых течений на поверхности океанов.

Как образуются вихри

Ранее было известно, что вихри в горизонтальной плоскости могут возникать за счёт поверхностных волн и что ключевую роль в этом играет вязкость, одни участки жидкости получают импульс за счёт трения с другими. Но в новой работе речь пошла о другом явлении, о появлении вертикальных завихрений при взаимодействии двух поверхностных волн, распространяющихся в разных направлениях. Физики показали, что даже в жидкости с малой вязкостью волны создают вихревое движение.

Для проверки теории исследователи взяли почти квадратный (модель показала, что в строго квадратном эффект окажется слабым из-за синхронности колебаний, волны в обеих направлениях будут одинаковы) сосуд размером 4х5 см и глубиной 1 см, наполнили его водой и поставили на платформу. Платформа совершала вертикальные колебания на резонансной частоте.

Через одну-две секунды после возбуждения волн появилась стоячая рябь. Одновременно с ней образовалась квадратная решетка из завихрений. Такая картина соответствовала теоретически полученному уравнению. Меняя условия эксперимента, ученые получали немного разные результаты, но все они совпали с теоретически предсказанными.

Сосуд с водой, вид сверху. Здесь красным показано вращение против часовой стрелки, синим – по часовой.

Как недавно показала группа исследователей из Австралии и России, при частоте колебаний выше некоторого порога, поверхностные волны становятся настолько сильными, что взаимодействия между вихрями становятся существенными для корректного описания системы. Приведенные в статье результаты позволят изучить эти эффекты и разработать для них вычислительную модель.

Источник

Фарадея эффект

Полезное

Смотреть что такое «Фарадея эффект» в других словарях:

ФАРАДЕЯ ЭФФЕКТ — один из эффектов магнитооптики. Заключается во вращении плоскости поляризации линейно поляризов. света, распространяющегося в в ве вдоль пост. магн. поля, в к ром находится это в во. Открыт М. Фарадеем в 1845 и явился первым доказательством… … Физическая энциклопедия

ФАРАДЕЯ ЭФФЕКТ — вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света при прохождении его через вещество, помещенное в магнитное поле, вдоль поля. Открыт М. Фарадеем в 1845 … Большой Энциклопедический словарь

Фарадея эффект — вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света, распространяющегося в веществе вдоль постоянного магнитного поля, в котором находится это вещество. Открыт М. Фарадеем в 1845. * * * ФАРАДЕЯ ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ ЭФФЕКТ, вращение плоскости… … Энциклопедический словарь

Фарадея эффект — Эффект Фарадея (продольный магнитооптический эффект Фарадея) магнитооптический эффект, который заключается в том, что при распространении линейно поляризованного света через вещество, находящееся в магнитном поле, наблюдается вращение плоскости… … Википедия

ФАРАДЕЯ ЭФФЕКТ — вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света, распространяющегося в в ве вдоль пост. магн. поля, в к ром находится это в во. Открыт М. Фарадеем в 1845 … Естествознание. Энциклопедический словарь

Эффект Фарадея — Вращение плоскости поляризации света за счет эффекта Фарадея Эффект Фарадея (продольный электрооптический эффект Фарадея) магнитооптический эффект, который заключается в том, что при распространении линейно … Википедия

Эффект — [effect] 1. Результат, следствие каких либо причин, действий. 2. В естественных науках явление (закономерность), часто называют именем открывшего этот эффект ученого (например, эффект Холла, эффект Фарадея, эффект Томсона и т. п.): Смотри также:… … Энциклопедический словарь по металлургии

эффект Холла — [Hall effect] возникновение поперечного электрического поля и разности потенциалов в металле или полупроводнике, по которому проходит электрический ток, при помещении его в магнитное поле, перпендикулярно к направлению тока. Открыт американским… … Энциклопедический словарь по металлургии

эффект Мессбауэра — [Mossbauer effect] резонансное поглощение γ квантов атомными ядрами, наблюдаемое, когда источник и поглотитель γ излучения твердое тело, а энергия квантов невелика ( 150 кэВ). Иногда эффект М. называют резонанс, поглощением без отдачи или ядерным … Энциклопедический словарь по металлургии

эффект Зеебека — [Seebeck effect] явление возникновения электродвижущей силы в электрическом контуре, состоящем из разных проводников, контакты между которыми имеют разные температуры; открыт в 1821 г. немецким физиком Т. Зеебеком. Электродвижущая сила,… … Энциклопедический словарь по металлургии

Источник

Гальваническая волна в Клину

Гальваническая волна эффективна при заболеваниях:

Обычного человека с годами начинают преследовать боли в суставах, мышцах, спине. Конечно, медицина предлагает множество способов лечения — от лекарств до физиотерапии. Но эти методы помогают не всегда или ненадолго. Способ борьбы с болью в мышцах и суставах при помощи ударных волн разрабатывали при таких массовых заболеваниях, как артроз и артрит, при растяжении мышц и связок, состояниях после травм.

Принцип действия ударно-волновой терапии.

Принцип работы ударно-волнового прибора

Ударная волна в аппарате создаётся, как правило, одним из способов: электромагнитным, электрогидравлическим, пьезоэлектрическим, пневматическим. Электромагнитный генератор образует звуковую волну с помощью упругой деформации металлической мембраны (этот принцип используется, например, в акустических динамиках). Электрогидравлический метод основан на принципе, когда искра вызывает нагревание и ударную волну в жидкой среде. При пьезоэлектрическом методе ударная волна образуется за счёт колебаний кристаллов кварца под действием высокого напряжения. При пневматическом методе колебания создаются за счёт импульсов сжатого воздуха.

Аппараты импульсной стимуляции

Импульсное волновое воздействие совместно с тепловым излучением помогает усилить стимуляцию работы внутренних органов и повысить уровень обменных процессов.

Программы с гальваническими волнами направлены на усиление тонуса и укрепление мышц, устранение люмбаго, артрозов, болей в дёснах, нормализацию перистальтики кишечника, активацию секреции гормонов поджелудочной железы, терапию желчного пузыря, язвы желудка и двенадцатиперстной кишки, устранение болезней женских половых органов, сердечно-сосудистых заболеваний, атеросклероза, гипертонии; оказывает терапевтическое воздействие при болезни Паркинсона, гепатитах, нефритах, дерматофитии.

Зачем нужна гальваническая волна?

Присмотритесь, как пожилые люди спускаются по лестнице: бочком, маленькими шагами — у большинства не сгибаются колени. Нарушения в работе опорно-двигательного аппарата возникают не только с возрастом. Повторяющиеся движения, например, при перемещении компьютерной мыши, спортивные нагрузки могут вызвать стойкий болевой синдром в суставах верхних или нижних конечностей. «Теннисный локоть», «колено прыгуна», «локоть гольфиста» — вот некоторые названия подобных болезненных состояний.

Что же происходит с суставами и связками? В соединительнотканных волокнах, входящих в состав связок, и в питающих их микрососудах при высоких нагрузках возникают многочисленные микронадрывы — появляется боль. Организм, стремясь её уменьшить, делает всё, чтобы ограничить подвижность в суставе. И вот человек уже не может поднять руку, согнуть ногу, выполнить самые простые движения — причесаться, дотянуться до верхнего поручня в транспорте, спуститься по лестнице.

В области больного сустава возникают очаги хронического воспаления. Снижается питание сустава, а из-за недостатка питания в мышцах образуются фиброзные области — соединительная ткань уплотняется, мышцы спазмируются, плохо растягиваются. Сухожильно-связочные элементы становятся менее эластичными. В местах их прикрепления к кости откладывается кальций с образованием болезненных выростов (кальцификатов). Всё это значительно ограничивает подвижность суставов. Круг замыкается: спазмированная мышца вызывает перерастяжение сухожилия, перерастяжение сухожилия приводит к его травме в месте прикрепления (около сустава), а травма вызывает ещё более выраженное мышечное сокращение. Возникает цепочка: нарушение питания сустава — боль — невозможность движения.

Статистические данные показывают, что подобными заболеваниями страдают более половины населения. Для лечения применяют физиотерапию, противовоспалительные препараты, массаж. Такие курсы лечения занимают от 1,5—2 до 6 месяцев, требуют многократных визитов в лечебные учреждения и не всегда обеспечивают стойкий эффект, а лекарства в некоторых случаях имеют противопоказания и побочные эффекты.

В 1990-х годах в Германии и Швейцарии для лечения последствий хронического перенапряжения мышц и спортивных травм начали использовать новый метод — ударно-волновую терапию.

Первый опыт применения ударных волн в медицине относится к лечению почечнокаменной болезни. Эксперименты по дроблению камней в почках с помощью ударных волн начались в 1970-х годах, а спустя несколько лет этот метод, получивший название «литотрипсия», стал общепризнанным. Попутно изучали, как ударные волны действуют на кости, а в 1980-х годах появились статьи об их воздействии на мягкие ткани, связки, сухожилия. Оказалось, что с помощью ударно-волновой терапии можно успешно лечить такие заболевания, как «пяточная шпора» и хронический лучевой или локтевой эпикондилит — «локоть теннисиста».

Несколько лет потребовалось на подбор оптимальной частоты и энергии звуковых волн. В итоге появились сертифицированные аппараты, генерирующие волны низкой частоты — от 1 до 15 Гц. Создаваемая аппаратом ударная волна либо фокусируется на небольшом объёмном участке с поперечным размером 2—8 мм, либо распространяется радиально, захватывая большой участок. Лечение проводится амбулаторно, курс включает 3—5 сеансов по 2000 импульсов с интервалами 5—7 дней.

Ударная волна характеризуется быстрым и резким нарастанием амплитуды (фаза высокого давления), за которым следует спад (фаза низкого давления). Проникая в живую ткань, ударная волна может поглощаться, отражаться и рассеиваться. Её распространение зависит от вида ткани. В фазе высокого давления волна оказывает прямое действие, а во время фазы низкого давления в тканях возникает эффект, напоминающий кавитацию — образование пузырьков.

Исследователи пока не пришли к единому мнению, чем именно обусловлен лечебный эффект ударной волны. Одно из объяснений таково: ударная волна вызывает шоковое воздействие на мембраны нервных клеток, прерывается их связь с мозгом. В те мгновения, когда головной мозг не контролирует этот участок, устраняются спазмы мышц, что снимает нагрузку с сухожилий, которые раньше перерастягивались из-за мышечного сокращения. В результате патологический процесс, шедший месяцами или годами, останавливается. Ещё один возможный механизм действия ударной волны — возникновение микротравм внутри мышечной ткани. В ответ на микротравмы запускается процесс регенерации: повреждённые ткани заменяются новыми.

Источник

Эффект Фарадея

Эффект Фарадея (продольный электрооптический эффект Фарадея) — магнитооптический эффект, который заключается в том, что при распространении линейно поляризованного света через оптически неактивное вещество, находящееся в магнитном поле, наблюдается вращение плоскости поляризации света. Теоретически, эффект Фарадея может проявляться и в вакууме в магнитных полях порядка 10 11 —10 12 Гс. [1]

Содержание

Феноменологическое объяснение

Проходящее через изотропную среду линейно поляризованное излучение всегда может быть представлено как суперпозиция двух право- и левополяризованных волн с противоположным направлением вращения. Во внешнем магнитном поле показатели преломления для циркулярно право- и левополяризованного света становятся различными ( и ). Вследствие этого, при прохождении через среду (вдоль силовых линий магнитного поля) линейно поляризованного излучения его циркулярно лево- и правополяризованные составляющие распространяются с разными фазовыми скоростями, приобретая разность хода, линейно зависящую от оптической длины пути. В результате плоскость поляризации линейно поляризованного монохроматического света с длиной волны , прошедшего в среде путь , поворачивается на угол

.

В области не очень сильных магнитных полей разность линейно зависит от напряжённости магнитного поля и в общем виде угол фарадеевского вращения описывается соотношением

,

где — постоянная Верде, коэффициент пропорциональности, который зависит от свойств вещества, длины волны излучения и температуры.

Элементарное объяснение

Эффект Фарадея тесно связан с эффектом Зеемана, заключающимся в расщеплении уровней энергии атомов в магнитном поле. При этом переходы между расщеплёнными уровнями происходят с испусканием фотонов правой и левой поляризации, что приводит к различным показателям преломления и коэффициентам поглощения для волн различной поляризации. Грубо говоря, различие скоростей различно поляризованных волн обусловлено различием длин волн поглощаемого и переизлучаемого фотонов.

Строгое описание эффекта Фарадея проводится в рамках квантовой механики.

Применение эффекта

Используется в лазерных гироскопах и другой лазерной измерительной технике и в системах связи.

История

Данный эффект был обнаружен М. Фарадеем в 1845 году.

Первоначальное объяснение эффекта Фарадея дал Д. Максвелл в своей работе «Избранные сочинения по теории электромагнитного поля», где он рассматривает вращательную природу магнетизма. Опираясь в том числе на работы профессора У. Томсона, который подчеркивал, что причиной магнитного действия на свет должно быть реальное(а не воображаемое) вращение в магнитном поле, Максвелл рассматривает намагниченную среду как совокупность «молекулярных магнитных вихрей». Теория, считающая электрические токи линейными, а магнитные силы вращательными явлениями, согласуется в этом смысле с теориями Ампера и Вебера. Исследование, проведенное Д. К. Максвеллом приводит к заключению, что единственное действие, которое вращение вихрей оказывает на свет, состоит в том, что плоскость поляризации начинает вращаться в том же направлении, что и вихри, на угол, пропорциональный:

Все положения «теории молекулярных вихрей» Д. Максвелл доказывает математически строго, подразумевая, что все явления природы в глубинной сути своей аналогичны, и действуют похожим образом.

Многие положения данной работы были впоследствии забыты или не поняты (например, Герцем), однако известные на сегодняшний день уравнения для электромагнитного поля выведены были Д. Максвеллом из логических посылок указанной теории.

Австрийский физик-теоретик Л. Больцман в примечаниях к работе Д. Максвелла отзывался следующим образом:

Я мог бы сказать, что последователи Максвелла в этих уравнениях, пожалуй, ничего кроме букв не переменили… Результаты переведенного здесь цикла работ, следовательно, должны быть причислены к важнейшим достижениям физической теории»

Источник

Эффект Фарадея

Как должно быть известно со школы, свет — это электромагнитная волна, то есть распространяющиеся в пространстве колебания электромагнитного поля. Другие примеры таких волн, с которыми люди регулярно имеют дело: радиоизлучение Wi-Fi-роутера, излучение пикселей телевизора, рентгеновское излучение флюорографов и гамма-излучение, возникающее при распаде изотопов. Все эти волны отличаются друг от друга лишь частотой.

На рис. 1 показаны две электромагнитные волны. Слева электрическое и магнитное поля колеблются в одной и той же плоскости, меняя напряженность (длину своего вектора), а справа поворачиваются сами векторы E и B. Вектор k, называемый волновым, показывает направление распространения света. Он всегда расположен перпендикулярно плоскости колебания (вращения).

Рис. 1. Линейно поляризованная электромагнитная волна (слева) и волна с круговой поляризацией (справа)

Эти два разных типа электромагнитных колебаний — линейная и круговая поляризации света. Свойство поляризации света активно используют, например, в 3D-кинотеатрах. Одна из распространенных технологий создания объемной картинки основана на том, что транслируются два видеопотока, снятые на две разные камеры, имитирующие стереоскопическое зрение человеческих глаз. Эти два потока проецируются на экран с разными поляризациями. Зритель надевает специальные очки, каждое стеклышко которых пропускает лишь одну из поляризаций (то есть видео лишь одной из двух камер), блокируя другую. Подумайте, кстати, какая именно поляризация применяется в кинотеатрах — круговая или линейная?

На самом деле из двух волн с круговыми поляризациями можно легко сделать волну с линейной поляризацией: для этого они должны вращаться в противоположных направлениях и иметь равные амплитуды (рис. 2). В зависимости от направления вращения круговую поляризацию называют левой или правой. Подумайте, можно ли из двух линейно поляризованных волн сделать круговую?

Рис. 2. Сумма двух волн с противоположными круговыми поляризациями дает волну с линейной поляризацией

Если свет распространяется не в вакууме, а в некоторой среде (скажем, в атмосфере или межзвездной плазме), то принципиально ничего не меняется: появляется коэффициент преломления, который несколько «тормозит» распространение света, однако линейно поляризованный свет таким и остается, также как и свет с круговой поляризацией.

Задача

Давайте усложним картину, добавив магнитное поле вдоль направления распространения волны. Если волны проходят сквозь частично ионизированную среду (например, плазму), то коэффициент преломления одной из круговых поляризаций (левой) будет отличаться от коэффициента преломления другой поляризации (правой).

Объясните, почему коэффициенты преломления отличаются? Как будет себя вести линейно поляризованный свет в такой среде?

Подсказка 1

Вспомните, как ведут себя заряженные частицы в однородном магнитном поле (например, это обсуждалось в задаче Северное сияние).

Подсказка 2

Попробуйте «разбить» линейно поляризованный свет на две волны с круговыми поляризациями, как это показано на рис. 3.

Решение

Давайте сперва ответим на простой вопрос: можно ли из двух линейных поляризаций получить круговую? Оказывается, можно. Достаточно взять две перпендикулярные линейные поляризации с отстающими на 90 градусов фазами как показано на рис. 4. Если отставание фаз будет меньше, чем 90 градусов, то вместо круговой получится эллиптическая поляризация. Поэтому с физической точки зрения неважно, рассматриваем ли мы одну волну с круговой поляризацией или две волны с линейной.

Вернемся к эффекту Фарадея. Сначала нужно понять, почему у левой и правой круговых поляризаций разные коэффициенты преломления. По сути, коэффициент преломления показывает, насколько медленнее распространяется электромагнитная волна в среде относительно вакуума. В случае с круговой поляризацией это эквивалентно тому, как быстро вращается вектор E (или B).

В ионизированной среде при распространении электромагнитной волны, вращающийся вектор электрического поля действует на свободные заряженные частицы (электроны), тем самым передавая часть своей энергии, из-за чего и возникает коэффициент преломления. Электроны, в свою очередь увлекаются за поляризацией электрического поля и начинают вращаться вместе с ней.

Когда внешнего магнитного поля нет, нет и никакой разницы между левой и правой круговой поляризацией, так как электронам одинаково «легко» вращаться как в одну, так и в другую сторону. Но когда приложено внешнее магнитное поле в направлении распространения волны (то есть перпендикулярно плоскости вращения поляризации), у электронов появляется «предпочтительное» направление вращения — ларморовское вращение (см. задачу Северное сияние). Из-за этого электрическому полю легче закрутить электроны в направлении ларморовского вращения, чем против, поэтому одна из круговых поляризаций будет распространяться медленнее другой.

Но давайте поймем, что произойдет в такой среде с линейной поляризацией. Как отмечалось выше, линейную поляризацию можно разложить на две круговые с противоположными полярностями. Одна из этих волн, как мы уже поняли, будет распространяться медленнее, в результате чего результирующая плоскость линейной поляризации будет медленно вращаться, как это показано на рис. 5.

Рис. 5. Результат сложения двух круговых поляризаций, одна из которых медленнее другой

Получается, что если свет с линейной поляризацией пролетает сквозь замагниченное облако плазмы, то плоскость линейной поляризации вращается по мере прохождения. Этот эффект называется также вращением Фарадея, в честь английского физика Майкла Фарадея, который этот эффект впервые продемонстрировал и объяснил.

Послесловие

В общем случае это вращение удобно параметризовать следующим образом. Угол вращения круговой поляризации \(\Psi\) равен:

где \(\lambda\) — длина волны излучения, а \(RM\) (англ. rotation measure — мера вращения), зависит от величины и направления магнитного поля, концентрации электронов в плазме, а также длины траектории волны.

Вращение Фарадея имеет огромное значение в астрофизике и космологии. Активные галактические ядра, а также пульсары, которые излучают преимущественно линейно поляризованные радиоволны, служат маяками, просвечивающими сквозь ионизированную межзвездную среду. Измерив углы вращения Фарадея (\(\Psi\)) на двух различных длинах волн, можно выяснить параметр \(RM\) для межзвездной среды, сквозь которую проходит это радиоизлучение. Зная примерное расстояние и плотность плазмы, при этом можно выяснить величину магнитного поля в межзвездной среде. До сих пор этот способ является чуть ли не единственным универсальным способом измерения магнитного поля в межзвездной и межгалактической среде.

К примеру, такие измерения были сделаны для нашей Галактики с помощью излучения радиопульсаров. В результате было показано, что магнитное поле межзвездной среды в Галактике составляет примерно несколько микрогаусс, а силовые линии ассоциированы со спиральными рукавами (рис. 6), и меняют свое направление от одного рукава к другому.

Рис. 6. Магнитное поле нашей Галактики, измеренное с помощью эффекта Фарадея для линейно поляризованного излучения радиопульсаров. Рисунки из статьи J. L. Han et al., 2006. Pulsar Rotation Measures and the Large-Scale Structure of the Galactic Magnetic Field

Свет от натуральных источников (например, таких как Солнце) складывается из суммы множества волн с разными линейными (или круговыми) поляризациями. Отражаясь от различных поверхностей и сред (в том числе в атмосфере) солнечный свет, который в итоге попадает к нам в глаза, частично поляризуется. Если при этом каким-то образом отфильтровать этот свет, и заблокировать определенную поляризацию, то внезапно поверхность, которая отражает только эту поляризацию, станет прозрачной (пример показан на рис. 7). Поэтому поляризаторы очень часто используются в фотографии в качестве дополнительных фильтров к объективу (например, для фильтрации нежелательных отражений).

Рис. 7. Поляризатор блокирует линейно поляризованный свет, отраженный от поверхности пруда. Фото с сайта bobatkins.com

В кинотеатрах же удобнее всего использовать две противоположные круговые поляризации, так как линейный поляризатор в очках будет работать лишь под определенным углом, что не слишком удобно.

Источник