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Faraday-Effekt

Was ist der Faraday-Effekt?

Mit Hilfe des Faraday-Effekts ist es möglich, die Polarisationsrichtung von linear polarisiertem Licht, das durch ein geeignetes Medium läuft, mit Hilfe eines dazu parallelen Magnetfeldes zu drehen.

Wie das funktioniert, soll die folgende Skizze 1 zeigen:

Skizze Faraday-Effekt

Skizze 1: Drehung der Polarisationsrichtung von Laserlicht beim Durchlaufen eines Mediums bei angelegtem Magnetfeld
 
Ein Laserstrahl wird linear polarisiert (Polarisator 1) und tritt dann durch ein geeignetes Medium, welches sich in einer Spule befindet. Die Spule wird von einem Strom durchflossen, der wiederum ein Magnetfeld erzeugt. Das Feld verläuft innerhalb der Spule parallel. Wir können letztlich das Magnetfeld über die angelegte Stromstärke steuern. Michael Faraday entdeckte 1845, dass sich die Polarisation von Licht, das wie oben durch ein Medium läuft, in dem ein Magnetfeld vorhanden ist, das parallel zum Lichtstrahl verläuft, drehen lässt. Diese Drehung wird durch das Medium verursacht und ist abhängig von der Wellenlänge des Lichts, von der Stärke des Feldes, der Länge des durchlaufenen Mediums und den Materialeigenschaften des Mediums. Als Medium wird häufig Flintglas verwendet, da es die Polarisationsrichtung besonders stark dreht. Aber auch mit Wasser funktioniert es ganz gut - das Bild rechts zeigt eine Spule, in der sich eine Glasküvette mit Wasser befindet. Außerdem im Hintergrund sichtbar ist der Polarisationsfilter zwischen Laser und Spule und der grüne Laserstrahl im Wasser.
Setzt man nun einen zweiten Polarisator hinter die Spule mit dem Medium, so kann man damit messen, um wieviel Grad sich die Polarisationsebene des Lichts gedreht hat.

 

Faraday-Effekt: Spule mit Medium

Man könnte nun z.B. bei abgeschaltetem Spulenstrom den zweiten Polarisator so einstellen, dass am Photodetektor Dunkelheit herrscht (Polarisator 2 um 90° gegenüber Polarisator 1 verdreht). Schaltet man den Strom ein und aktiviert das Magnetfeld, so kann man wieder Helligkeit am Detektor beobachten. Jetzt kann man den Polarisator 2 so lange drehen, bis wieder Dunkelheit herrscht und somit den Drehwinkel ermitteln.
Wir könnten statt der Spule natürlich auch einen Dauermagneten verwenden, allerdings können wir das Feld dann nicht mehr gezielt steuern und genau das wollen wir ja tun können, wenn wir den Effekt für Anwendungen nutzen wollen, wie im Folgenden erklärt.

 

Wir übertragen Musik mit Hilfe des Faraday-Effekts

Wie wir oben schon gezeigt haben, können wir den Faraday-Effekts nutzen, um die Polarisationsrichtung eines Lichtstrahls gezielt zu steuern. Mit der obigen Anordnung mit den zwei Polarisatoren können wir z.B. die Helligkeit des Lichtstrahls über das Magnetfeld der Spule regulieren: Je stärker das Feld, umso mehr wird die Polarisationsrichtung des Laserstrahls gedreht. Nachdem der zweite Polarisator gegenüber dem ersten verdreht ist, wird deshalb die Helligkeit hinter diesem variieren, je nach Drehwinkel bzw. Feldstärke wird es heller oder dunkler, was der Photodetektor sehr empfindlich registriert.

Wir können nun folgendes machen, um das zur Musikübertragung mit Licht zu nutzen, gezeigt in Skizze 2: Wir schließen die Spule an den Lautsprecher-Ausgang eines Hifi-Verstärkers an, an dessen Eingang wir ein Musiksignal z.B. von einem mp3-Player anlegen. Der Strom in der Spule ist jetzt mit dem Musiksignal "moduliert", d.h., der Strom ändert sich entsprechend mit der Musik. Dadurch ändert sich wiederum das Magnetfeld entsprechend der Musik. Somit modulieren, also verändern wir letztlich den Drehwinkel der Polarisation des Laserstrahls, der am Ende unsere Musik überträgt. Nach Durchlaufen des zweiten Polarisators ändert der Strahl nämlich wie oben erklärt seine Helligkeit entsprechend dem Musiksignal. Der Photodetektor dient als Empfänger und registriert diese Helligkeitsschwankungen. Wir schließen diesen nun an einen Lautsprecher an, der uns letztlich die Musik wieder ausgibt. Die Polarisatoren müssen wir dazu nur einmal auf eine günstige Stellung einstellen, dann läuft alles von selbst - und das mit erstaunlicher Qualität!

 

Musikübertragung mit Faraday-Effekt

Skizze 2: Übertragung von Musik mit Hilfe des Faraday-Effekts
 

Letztlich ist es höchst interessant, in welchen physikalischen Größen unsere Musik letztlich vorliegt:
  • die Musik existiert zunächst in Form eines Spannungssignals aus dem mp3-Player
  • dann als Strom durch die Spule
  • schließlich als Magnetfeld, das von der Spule erzeugt wird
  • dann als Schwankung der Polarisationsrichtung des Laserlichts
  • hinter dem zweiten Polarisator als Helligkeitsschwankung des Laserlichts
  • der Photodetektor macht aus der Helligkeitsschwankung wieder ein Spannungssignal
  • das Spannungssignal wird im Lautsprecher wieder als Musik ausgegeben

Die "Musik" wird also in 5 verschiedene physikalische Größen umgeformt und übertragen! Und all das funktioniert mit erstaunlich wenig Verlusten!