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Définition
En physique, l'effet Faraday décrit l'interaction entre la lumière et un champ magnétique dans un matériau : la polarisation de la lumière effectue une rotation proportionnelle à la composante du champ magnétique sur la direction de propagation de la lumière.
L'effet Faraday est un effet magnéto-optique découvert par Michael Faraday en 1845. Il apparaît dans la plupart des matériaux diélectriques transparents lorsqu'ils sont soumis à des champs magnétiques. Ce fut la première mise en évidence du lien entre magnétisme et lumière : le fait que la lumière contienne un champ magnétique fait maintenant partie de la théorie du rayonnement électromagnétique, développé par James Clerk Maxwell dans les années 1860 et 1870.
L'effet Faraday est le résultat d'une résonance ferromagnétique. Cette résonance implique qu'en décomposant la polarisation de la lumière en deux polarisations circulaires tournant en sens contraire, ces deux composantes se propagent à des vitesses différentes, donnant ainsi un pouvoir rotatoire au matériau. Il apparaît alors un déphasage entre ces deux composantes. La conséquence principale est qu'un rayon lumineux entrant avec une polarisation rectiligne dans le milieu considéré ressort avec une orientation de sa polarisation différente.
Cette rotation est induite par la modification de la biréfringence du matériau transparent . Cette biréfringence est modifiée par l'effet du champ magnétique de manière non isotrope, cela signifie que la biréfringence varie dans l'espace du matériau. La biréfringence est liée à l'indice de réfraction du matériau noté le plus souvent n.
Plusieurs instruments de mesure utilisent l'effet Faraday. Par exemple, on peut mesurer le pouvoir rotatoire des substances, effectuer une modulation de l'amplitude de la lumière, ou détecter un champ magnétique.
Formule
La relation entre le champ magnétique B et l'angle de rotation {\displaystyle \beta }\beta de la polarisation obtenu après avoir traversé une distance d dans la substance est donnée par :
- $\beta = \nu d B$
avec :
- $\nu$ : la constante de Verdet, propre à chaque matériau
Utilisation de l'effet Faraday
Nous allons dans ce projet utiliser l'effet Faraday pour effectuer une modulation de l'amplitude de la lumière. Nous allons envoyer un faisceau laser polarisé rectilignement dans une cuve remplie d'un ferrofluide.
L'application d'un fort champ magnétique (2500 G) parallèlement au faisceau laser sur un ferrofluide, induit une rotation de polarisation d'un angle $\beta$.
En plaçant un polariseur en mode analyseur après la cuve nous pourrons mesurer l'intensité I du faisceau. En utilisant habilement la loi de Malus, l'intensité du faisceau en sortie sera fonction de $\beta$.
Loi de Malus
- $I = I_0 cos²(\beta) = I_0 cos²(\nu d B)$
Après une calibration, l'intensité du signal sur la photodiode est facilement reliable à l'intensité du champ magnétique crée.
Bibliographie
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