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2025-06-28T15:15:38Z

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[[Datei:Michael Faradays 1845 Magneto-Optical Electro-Magnet & A Sectored Disc.jpg|mini|Spule und aufliegender transparenter Quader, mit welchen Faraday 1845 den magnetooptischen Effekt entdeckte]]

Der '''Faraday-Effekt''' ist ein [[Magnetooptik|magnetooptischer]] Effekt. Er beschreibt die Drehung der [[Polarisation]]sebene einer ''linear'' polarisierten [[Elektromagnetische Welle|elektromagnetischen Welle]] in einem [[Ausbreitungsmedium|Medium]], wenn darin ein [[Magnetfeld]] parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle herrscht. Es wird auch von '''Faraday-Rotation''' gesprochen.

== Geschichte ==
Der Faraday-Effekt wurde am 13. September 1845 von [[Michael Faraday]] entdeckt. Aufgrund seiner Vermutung, dass das Licht ein elektromagnetisches Phänomen sei, untersuchte er verschiedene Gläser daraufhin, ob ein Magnetfeld den Durchgang von polarisiertem Licht beeinflusst. Das Magnetfeld erzeugte er mit einer [[Spule (Elektrotechnik)|Spule]], die Polarisation bestimmte er mithilfe eines [[Nicolsches Prisma|Nicolschen Prismas]]. Bei schwerem bleireichen [[Borosilikatglas]] stellte er fest, dass das Licht beim Durchtritt seine Polarisationsebene gedreht hatte. Der Drehwinkel war proportional zum magnetischen Feld.<ref>Masud Mansuripur. "The Faraday Effect." Optics and Photonics News (10): 32–36.</ref> Der Effekt wurde als erster experimenteller Hinweis dafür gedeutet, dass Licht und Magnetismus miteinander in Beziehung stehen. Dass Licht als eine [[elektromagnetische Welle]] beschrieben werden kann, wurde dann 1864 theoretisch von [[James Clerk Maxwell]] hergeleitet.

== Grundlagen ==
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 [[Brechungsindex|Brechungsindizes]] ''n''<sub>Links</sub> und ''n''<sub>Rechts</sub> und deshalb auch die Wellenlängen. Die entsprechenden Formeln lauten

<math>\lambda_\mathrm{Links} = \frac{c}{f \cdot n_\mathrm{Links}} \qquad \text{und} \qquad \lambda_\mathrm{Rechts} = \frac{c}{f \cdot n_\mathrm{Rechts}}</math>

Daraus folgt, dass sich die Polarisationsebene um
:<math>\Delta \beta = \pi \cdot \left( \frac{n_\mathrm{Rechts}}{n_\mathrm{Links}}-1 \right)</math>
weiterdreht, wenn eine Schwingungsdauer, also die Zeit T = 1/f vergangen ist.

== Optik ==
[[Datei:Faraday effect.svg|mini|Polarisationdrehung aufgrund des Faraday-Effektes]]

Der Faraday-Effekt tritt im Bereich der [[Magnetooptik]] beim Durchgang von Licht durch ein [[Transparenz (Physik)|transparentes]] Medium auf. Ein ähnlicher Effekt, der die Drehung der Polarisationsebene bei Reflexion beschreibt, ist der [[Magnetooptischer Kerr-Effekt|magnetooptische Kerr-Effekt]]. Die meisten [[dielektrisch]]en Materialien (einschließlich Flüssigkeiten) zeigen den Faraday-Effekt, wenn sie einem starken magnetischen Feld ausgesetzt werden. Die Drehung der Polarisationsebene ist umso größer, je stärker die magnetische Flussdichte ist.

Weist das Medium auch ohne ein angelegtes Magnetfeld einen Einfluss auf die Polarisationsebene auf, spricht man von [[Optische Aktivität|optischer Aktivität]] des Mediums.

Der Drehwinkel <math>\beta</math>, um den sich die Polarisationsebene dreht, berechnet sich wie folgt:

:<math>\beta = V \cdot d \cdot B </math>

<math>d</math> ist die Länge des Lichtweges durch die Substanz, <math>B</math> die [[magnetische Flussdichte]]<ref>{{Literatur |Autor=[[Dieter Meschede]] |Titel=[[Gerthsen Physik]] |Verlag=Springer-Verlag |Datum=2015 |ISBN=3-662-45977-9 |Seiten=578 |Online={{Google Buch|BuchID=qW7dBgAAQBAJ|Seite=578}}}}</ref> und <math>V</math> die [[Verdet-Konstante]]. <math>V</math> ist vom Medium und von der [[Wellenlänge]] abhängig. Mit einer anderen Verdet-Konstanten <math>V'</math> ist statt der Flussdichte <math>B</math> die [[magnetische Feldstärke]] <math>H</math> zu verwenden:<ref>{{Literatur |Autor=[[Ludwig Bergmann (Physiker)|Ludwig Bergmann]], [[Heinz Niedrig]], [[Clemens Schaefer (Physiker)|Clemens Schaefer]] |Titel=[[Bergmann-Schaefer Lehrbuch der Experimentalphysik]] |Band=Band 3 Optik: Wellen- und Teilchenoptik |Verlag=Walter de Gruyter |Datum=2004 |ISBN=3-11-017081-7 |Seiten=620 |Online={{Google Buch|BuchID=uS9EYEbLsscC|Seite=620}}}}</ref>

:<math>\beta=V' \cdot d \cdot H</math>

Eine positive Verdet-Konstante führt zu einer mathematisch negativen Drehung, wenn das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung liegt. Ein [[Antiparallelität (Vektorrechnung)|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. Dies ist ein wichtiger Unterschied zur optischen Aktivität links- oder rechtsdrehender Substanzen, durch welche beim Durchlaufen des Mediums in entgegengesetzter Richtung die Rotation wieder rückgängig gemacht wird.

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

Weiterhin gibt es auf dem Effekt basierende [[Magnetometer]] und [[Stromsensor]]en, wobei hier [[Lichtleitkabel]] verwendet werden.<ref>{{Internetquelle |url=https://library.abb.com/r?q=optical%20current%20transformers |titel=ABB Library |abruf=2024-04-25}}</ref>

== Funkwellen ==
[[Datei:Faraday3.jpg|mini|Faraday-Rotator als Hohlleiter für Mikrowellen mit ca. 9 GHz]]

Der Faraday-Effekt tritt auch bei vormagnetisierten [[Ferrite]]n auf und wird in Frequenzbereichen von einigen Gigahertz im Bereich von [[Mikrowellen]] zum Aufbau von [[Gyrator]]en und zur Realisierung von [[Faraday-Rotator]]en verwendet. Durch die Drehung der Polarisationsebene können so in der [[Hochfrequenztechnik]] spezielle Formen von [[Zweitor]]en zur Transformation von [[Impedanz]]en 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.

Durchlaufen Funkwellen die Ionosphäre, bewirkt die Bewegung von ungebundenen Elektronen im Erdmagnetfeld eine Rotation der Polarisationsebene<ref>[https://www3.mpifr-bonn.mpg.de/div/meetings/1stRU1254/presentations/watts_irsee.pdf Effekte der Ionosphäre] (PDF; 4,1 MB)</ref> (siehe auch [[Brechungsindex#Brechungsindex des Plasmas|Brechungsindex des Plasmas]]). Der Drehwinkel ist stets proportional zum Quadrat der Wellenlänge (β = k·λ²) und ist deshalb im Mittel- und Kurzwellenbereich unübersehbar. Über sehr große Entfernungen kann aber auch noch bei 500 MHz eine Drehung über 90° beobachtet werden. Bei den noch höheren Frequenzen der [[Rundfunksatellit]]en ist der Winkel aber schon so gering, dass die vertikale bzw. horizontale Polarisation der Übertragungskanäle nur unwesentlich verändert wird.

== Astronomie ==
Faraday-Rotation kommt auch in der [[Astronomie]] vor. So wurde beim [[Quasar]] [[PKS 1830-211]] am Fuße des [[Jet (Astronomie)|Jets]] Faraday-Rotation nachgewiesen.<ref name="Althaus15" /><ref name="IMV15" /> Mithilfe des Faraday-Effekts lassen sich Aussagen über die Magnetfelder in Galaxien machen. Man vermutet, dass die Magnetfelder eine wichtige Rolle in der Dynamik der Galaxienhaufen spielen.<ref>{{Literatur|Titel=Faraday-Rotation|Sammelwerk= Lexikon der Astronomie|Hrsg=|Verlag= Springer Medien | Datum=1999 |ISBN=978-3-827-40575-3 |Online=https://www.spektrum.de/lexikon/astronomie/faraday-rotation/120}}</ref>
== Literatur ==
* {{Literatur
|Autor=[[Karl Küpfmüller]], [[Wolfgang Mathis]], Albrecht Reibiger
|Titel=Theoretische Elektrotechnik
|Auflage=18.
|Verlag=Springer
|Datum=2008
|ISBN=978-3-540-78589-7
|DOI=10.1007/978-3-540-78590-3}}
* {{Literatur
|Autor=
|Titel=Faraday-Effekt
|Hrsg=Ulrich Kilian u. Christine Weber
|Sammelwerk = Lexikon der Physik
|Verlag=Spektrum Akademischer Verlag |Datum=2003
|ISBN=978-3-860-25296-3
|Online=https://www.spektrum.de/lexikon/physik/faraday-effekt/4733}}

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="Althaus15">
{{Internetquelle
|autor=Tilmann Althaus
|url=https://www.spektrum.de/news/starke-magnetfelder-in-unmittelbarer-naehe-zu-schwarzem-loch-beobachtet/1342326
|titel=Starke Magnetfelder in unmittelbarer Nähe zu Schwarzem Loch beobachtet
|titelerg=Mit den Submillimeterteleskopen von ALMA wurden erstmals starke Magnetfelder am Fußpunkt eines Jets eines massereichen Schwarzen Lochs in einer fernen Galaxie nachgewiesen.
|werk=Spektrum der Wissenschaft
|datum=2015-04-16
|abruf=2015-05-31}}
</ref>
<ref name="IMV15">
{{Internetquelle
|autor=Ivan Marti-Vidal, Sebastien Muller, Wouter Vlemmings, Cathy Horellou, Susanne Aalto
|url=http://science.sciencemag.org/content/348/6232/311
|titel=A strong magnetic field in the jet base of a supermassive black hole
|datum=2015-04-15
|abruf=2016-03-03
|sprache=en}}
</ref>
</references>

[[Kategorie:Theoretische Elektrotechnik]]
[[Kategorie:Optischer Effekt]]
[[Kategorie:Michael Faraday]]

Faraday-Effekt - Versionsgeschichte

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