книги / Справочное пособие по магнитным явлениям
..pdfлении — по часовой стрелке или против часовой стрелки в зависимости от направления приложенного поля. Такая пре цессия всегда происходит в плоскости, перпендикулярной при ложенному полю.
Вследствие однонаправленного характера прецессии магнето нов создаются условия, при которых электромагнитная энергия распространяется через поляризованный диэлектрик по-разному в зависимости от направления распространения: энергия погло щается диэлектриком, если она возбуждает прецессию, и прохо дит через него почти без изменения в противном случае.
При условиях распространения энергии Фарадея, когда на правления приложенного поля и распространения энергии сов падают, одна компонента с круговой поляризацией плоскополяризованного луча возбуждает прецессию, а другая не возбужда ет. Следовательно, одна компонента поглощается диэлектриком в большей степени, чем другая. В результате угол поляризации восстановленного плоскополярнзованного луча будет изменен на величину, зависящую от соотношения поглощенных энергий.
Если же приложенное поле направлено перпендикулярно направлению распространения энергии (рис. 9.7), то плоскополяризованное излучение возбуждает прецессию в одном направле нии,- а в противоположном направлении не возбуждает ее и не испытывает какого-либо воздействия. Следовательно, в одном на правлении излучение свободно проходит через поляризованный диэлектрик, а в другом оказывается заблокированным.
Рис. 9.7. Поглощение о результате резонанса магнетонов. Энергия поляризо ванного излучения поглощается диэлектриком, если это излучение возбуждает прецессию магнетонов, которые являются составной частью структуры диэлек трика
9.23. ЦИРКУЛЯТОР
Прибор, в котором используется поворот плоскости поляри зации Фарадея в двух направлениях, называется циркулятором.
Рассмотрим передачу энергии от передатчика на антенну по линии передачи. Если в этой линии предусмотрены условия рас пространения энергии Фарадея с поворотом плоскости поляри зации на 45° (как показано на рис. 9.6), то любое отраженное излучение будет дополнительно повернуто на угол 45°, в резуль тате чего плоскости поляризации передаваемого и отраженного излучений будут иметь относительное смещение по углу на 90°
Если отраженная энергия избирательно поглощается на какой-либо нагрузке, то на передатчик влияет только импеданс антенны независимо от отражаемого ею излучения, тогда как на антенну влияет только поглощающая нагрузка. В случае, когда такой нагрузкой является приемник, выходящая энергия питает антенну, а приходящая — сам приемник.
Магнитное поле
Рис. 9.8. Циркулятор-поглотитель. Если на пути излучения находится диэлек трическое тело соответствующей формы с резонансными магнетонами, то про исходит преломление излучения
Циркуляцию излучения можно также осуществлять, исполь зуя поглощение энергии в направлении, перпендикулярном на правлению распространения волны (см. рис. 9.7), когда энергия свободно проходит в одном направлении, а в противоположном направлении ее распространение заблокировано. Как показано на рис. 9.8, энергия преломляется, или отклоняется от прямоли нейной траектории, если на ее пути встречается диэлектрическое тело соответствующей формы, содержащее резонирующие магне тоны. В этом случае излучение отклоняется от направления, по которому его распространение невозможно, к направлению возможного распространения.
9.24. ОПТИЧЕСКАЯ НАКАЧКА
При оптической накачке монохроматическое электромагнитное излучение поглощается магнетонами разреженного газа, совер шающими когерентную прецессию (рис. 9.9).
поле
Рис. 9.9. Оптическая накачка. При наличии двух одинаковых образцов пара магнитного газа возможны такие условия, когда энергия, излучаемая одним из них, проходит через другой. Но это излучение задерживается, если магнетоны второго из образцов совершают прецессию, частота которой совпадает с часто той излучения. Значение частоты прецессии магнетонов поглощающего образца является весьма чувствительным показателем напряженности внешнего магнит ного поля, приложенного к обоим образцам:
/ — поглощающий образец; 2 — излучаЕощин образец; | — магнетон
Как испускание, так и поглощение электромагнитной энергии каждым конкретным веществом связаны с переходом частиц из одного энергетического состояния в другое. Излучение генери руется, когда частицы переходят с высокого на более низкий энергетический уровень, а процесс поглощения энергии возвра щает те же самые частицы на более высокие энергетические уровни. Поскольку ширина энергетической зоны между двумя состояниями остается одной и той же независимо от направ ления движения частиц, спектры испускания и поглощения раз реженных газов, по существу, не различаются между собой.
При исследовании соотношений между испусканием и погло щением энергии можно использовать активность одной части газа для возбуждения или облучения другой части этого же газа. Тогда одна часть газа действует как источник излучения, а другая поглощает это излучение. В такой системе при условии, что либо поляризация падающей энергии излучения является некогерентной, либо магнетоны поглощающей части газа имеют случайно распределенные ориентации, интенсивность взаимодей ствия между излучением и веществом будет минимальной, и из лучение пройдет через поглощающую часть газа, сохранив мак симальную интенсивность.
Если же две части одного и того же газа подвержены действию общего магнитного поля, то их магнетоны будут оди наково упорядочены по ориентациям. При этих условиях излуче ние, генерируемое одной частью газа, будет по своим характе ристикам хорошо согласоваться с характеристиками поглощения, присущими другой части, а направление поляризации излуче ния будет точно соответствовать направлению поглощающих магнетонов. Хотя такие условия сами по себе не оказывают влияния на физическую способность вещества пропускать излу чение, они фактически «сенсибилизируют» газ для прецессионно го взаимодействия.
Если теперь к сенсибилизированному газу приложить магнит ное поле, изменяющее во времени свое направление и возбуж дающее прецессию в поглощающей части газа, то интенсивность поглощения достигнет максимума, а интенсивность пропуска ния — минимума, и поглощающий газ станет непрозрачным для данной частоты прецессии. Как всегда, частота Лармора, при которой поглощающий газ становится непрозрачным, зависит от напряженности магнитного поля, упорядочивающего ориентации магнетонов.
Если выходной сигнал фотоэлемента, воспринимающего из лучение после его прохождения через поглощающую часть газа, усилить, сдвинуть по фазе и подать на катушку возбуждения таким образом, чтобы обеспечивались условия непрозрачности, то полученная система будет совершать колебания с частотой непрозрачности, или частотой Лармора.
Следует подчеркнуть, что в случае эффекта Фарадея (как и при других явлениях ядерного магнитного резонанса) прецессия возбуждается под влиянием электромагнитного излучения, изменяющегося с определенной частотой. В отличие от этого при оптической накачке прецессия возбуждается при помощи вспо могательного переменного магнитного поля, тогда как частота электромагнитного излучения не играет значительной роли.
9.25. МАГНИТОФОСФЕННЫЙ ЭФФЕКТ
Если голова человека расположена в переменном магнитном поле с частотой в диапазоне между 10 и 100 Гц и магнитной индукцией между 0,02 и 0,1 Тл, то человек видит вспышки света. Это явление называется магнитофосфенным эффектом.
9.26. ЭФФЕКТ ГАНТМАХЕРА
Эффект Гантмахера заключается в том, что очень тонкая пленка с толщиной, равной магнетронному диаметру, несущая электрический ток, пропускает электромагнитную энергию с циклотронной частотой, если она находится в магнитном поле, направленном параллельно ее поверхности. Это происходит толь
ко в том случае, когда частота излучения и циклотронная час тота совпадают между собой.
Эффект Гантмахера указывает на то, что высокочастотная энергия излучения взаимодействует с электронами-носителями при условиях, выбранных определенным образом.
Если магнитное поле направлено вдоль плоскости проводящей пластины, причем магнитное и электрическое поля пластины сов падают по направлению, то электроны проводимости будут дви гаться вдоль магнитных силовых линий. Если сообщить этим электронам дополнительную энергию в направлении, перпендику лярном электрическому току, то их траектории приобретут спиральную форму, как показано на рис. 2.4. Здесь магнетрон ные траектории, изображенные на рис. 2.3, добавлены к прямоли нейным траекториям.
В процессе отражения электроны, находящиеся непосредст венно у поверхности металла, получают энергию от электромаг нитного излучения в дополнение к обычной присущей им тепло вой энергии. Они мгновенно освобождаются от этой добавочной энергии за счет вторичного электромагнитного излучения. Однако между моментами поглощения и вторичного испускания имеется задержка во времени, или фазовый сдвиг.
Электромагнитное излучение, падающее на проводящую пластину, сообщает дополнительную энергию электронам прово димости, движущимся в пластине, причем эта энергия направ лена перпендикулярно траекториям электронов. Если их траекто рии ориентированы вдоль магнитных силовых линий, то дополни тельная энергия возбуждает магнетронную активность. Как пока зано на рис. 9.10, в том случае, когда частота излучения соот ветствует магнетронной циркуляции, а толщина пластины равна
Рис. 9.10. Эффект Гантмахера. Под вли янием внешнего возбуждения электри ческие носители в проводящей пленке могут двигаться по спиральным траек ториям с заданными магнетронным ра диусом и циклотронной частотой. Элек тромагнитное излучение с такой же час тотой пропускается через такую пленку, если ее толщина равна удвоенному магнетронному радиусу. Для излучений с другими частотами пленка является непрозрачной
магнетронному диаметру, излучение добавляет энергию к магнет ронному движению всякий раз при достижении поверхности пластины электроном проводимости.
При этих условиях каждый электрон проводимости перио дически функционирует как поверхностный электрон на обеих сторонах проводящей пластины. Действительно, в качестве по верхностного электрона, возбуждаемого электромагнитным излу чением, он может освободиться от добавочной энергии за счет вторичного излучения с обеих поверхностей пластины. Таким образом, проводящая пластина является прозрачной для энергии излучения с данной конкретной частотой, способного поддер живать спиральные траектории электронов,, которые касаются двух поверхностей пластины.
При любом магнетронном диаметре, составляющем кратное от толщины пластины, излучение также пропускается на часто тах, соответствующих времени пролета электронов. Однако чем выше частота пропускания излучения для заданной толщины пластины, тем меньшее количество энергии пропускается. На всех других частотах пластина Гантмахера препятствует прохож дению энергии излучения. Вследствие этого она обладает свой ствами полосового фильтра с очень заостренной характе ристикой.
9.27. НАСТРОЕННАЯ ПРОВОДЯЩАЯ ПРОВОЛОКА
Сопротивление проводящей проволоки изменяется, если на нее воздействовать электромагнитным излучением при таких ус ловиях, когда большая часть электронов -носителей циркулирует по магнетронным траекториям у поверхности проволоки, а цикло тронная частота этих электронов совпадает с частотой электро магнитного излучения.
Электрон, на который действует ускоряющее электрическое напряжение в кристаллической решетке, достигает некоторой установившейся скорости. Согласно теории распределений уста новившиеся скорости большинства электронов-носителей имеют приблизительно одинаковые значения.
Электроны с поперечной и осевой составляющими скорости описывают спиральные траектории около магнитных силовых линий. Такие траектории характеризуются определенными значе ниями «магнетронного радиуса» и «циклотронной частоты», которые зависят от установившейся скорости электронов и на пряженности приложенного магнитного поля (рис. 9.11).
Как указано в § 20.2 при обсуждении продольной магниторезистивности тонкой проволоки, тепловые силы обусловливают достаточную энергию в поперечном направлении, чтобы в про-
Рис. 9.11. Настроенная проводя щая проволока. Е с л и в провод нике с круглым сечением носите ли движутся по спиральной маг нетронной траектории, имеющей такой же диаметр, как и провод ник, то при воздействии на про водник излучения с циклотронной частотой его сопротивление воз растает:
• — электрон
волоке с радиусом, близким к магнетронному радиусу, под воз действием внешнего осевого магнитного поля большинство элект ронов-носителей имело тенденцию двигаться в непосредственной близости от поверхности проволоки.
В процессе отражения от металлической поверхности большая часть падающей энергии поглощается электронами-носителями вблизи поверхности, а затем повторно испускается. Поскольку поверхностные электроны в металлических телах могут функцио нировать одновременно как носители и как вторичные излуча тели энергии, возникает взаимодействие между падающей энер гией и электронами-носителями, в результате которого изменяет ся электрическое сопротивление, встречаемое электронами-но сителями.
Частота, при которой электроны-носители становятся также поверхностными электронами, определяется электрическим на пряжением, напряженностью магнитного поля и диаметром про волоки.
9.28. НАСТРАИВАЕМЫЙ МИКРОВОЛНОВЫЙ ПОЛОСОВОЙ ФИЛЬТР
Проволочная сетка с размерами ячеек, меньшими, чем длина волны воздействующего на нее излучения, в обычных условиях задерживает электромагнитное излучение, когда ее токонесущие элементы испытывают влияние внешнего осевого магнитного поля, однако она становится прозрачной для энергии излучения с определенной частотой, способной поддерживать спиральные траектории электронов с диаметром, равным диаметру проволо-
157
Рис. 9.12. Настраиваемый микро
волновый |
полосовой |
фильтр. |
||
Для блокирования |
электромаг |
|||
нитного излучения |
на |
выходе |
||
волновода |
можно использовать |
|||
проволочную |
сетку, |
у |
которой |
|
расстояния |
|
между |
соседними |
|
проволоками |
значительно мень |
|||
ше, чем длина волны излучения. Такая блокировка устраняется, когда электрические носители в сетке движутся по спираль ным траекториям с магнетрон ным радиусом, равным радиусу проволоки, и с циклотронной частотой, равной частоте излуче ния
ки. Кфоме того, при этой частоте существенно изменяется сопротивление сетки.
В приборе, показанном на рис. 9.12, используются совместно эффект Гантмахера и явления, происходящие в настроенной проводящей проволоке.
9.29. НАСТРОЕННЫЙ МАГНИТНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИК
Удельное сопротивление магнитных полупроводниковых мате риалов возрастает вследствие прецессии содержащихся в них магнетонов. В таких материалах частицы, функционирующие как магнетоны, являются центрами рассеяния для электронов-
Прецесоирунпций
Рис. 9.13. Настроенный магнитный полупроводник. Удельное сопротивление ве щества увеличивается, если возбуждена прецессия его магнетонов:
/ — большее сопротивление; 2 — меньшее сопротивление; | — магнетон
носителей, и чем сильнее их рассеивающее влияние, тем больше удельное сопротивление материала.
Как объяснено в § 5.5, рассеяние под влиянием магнетонов сводится к минимуму, если магнетоны образуют регулярную решетку. При температурах, превышающих точку Кюри, когда тепловые силы обусловливают беспорядочное распределение частиц, рассеяние электронов-носителей под влиянием магнето нов увеличивается. Аналогично прецессирующие магнетоны в составе регулярной решетки рассеивают электроны более ин тенсивно, чем их рассеивали бы непрецессирующие магнетоны в такой же решетке.
Вследствие того что частота прецессии Лармора, возбужда емой электромагнитным излучением, определяется напряжен ностью приложенного магнитного поля, магнитный полупровод ник можно настроить таким образом, чтобы он имел максималь ное удельное сопротивление, когда на него действует электро магнитное излучение с конкретной заданной частотой.
Схема, показанная на рис. 9.13, в некотором смысле анало гична схеме с настроенной проводящей проволокой, описанной в § 9.27, хотя в данном случае энергия выделяется электронаминосителями в результате увеличения рассеяния, тогда как яв ление, описанное в § 9.27, основано на передаче этим электронам дополнительной энергии.
Возможен другой вариант схемы, сходный со схемой оптиче ской накачки; в нем прецессия возбуждается при помощи вспо могательного переменного магнитного поля.
9.30. ГОЛОГРАФИЯ
При взаимодействии двух когерентных пучков возникает трехмерная интерференционная структура излучения, плотно за полняющая пространство. Если пучки имеют одинаковые час тоты, то эта интерференционная структура не изменяется во времени при условии, что пучки сохраняют когерентность по направлению, фазе и углу поляризации. Такая интерференционная структура вполне устойчива в трехмерном пространстве. Однако интерференционные структуры различаются в зависимости от различий в направлениях, фазах или углах поляризации пучков.
Помещая фотопленку в пространство с такой трехмерной интерференционной структурой излучения, можем получить ее двухмерную запись для заданной конкретной плоскости в трех мерном пространстве. Этот фотоснимок дает однозначное описа ние факторов, обусловивших различия между двумя пучками, ко торые характеризуются разностью их направлений, фаз и углов поляризации.
Рассмотрим, например, когерентный пучок, разделенный на две части расщепителем луча. Одну его часть можно использо вать для освещения некоторого объекта, а другую часть — в качестве опорного излучения, которое взаимодействует с излу чением, отраженным от объекта, прошедшим сквозь объект или же модифицированным каким-либо иным образом под влиянием объекта. Если затем фотоснимок результирующей интерферен ционной структуры осветить когерентным пучком, воспроизво дящим опорный пучок, то аномалии объекта, которые привели к модификации исходного пучка, освещавшего объект, теперь, при взаимодействии пучка с фотоснимком выявятся как кажущееся, или виртуальное, изображение объекта.
Виртуальное изображение, выявляемое в результате такого процесса взаимодействия пучка с фотоснимком, называют голо-, граммой. '