P 16: Licht ist elektrisch und magnetisch

 1.9 Faraday- und Kerreffekt

Bisher haben wir nur die Welleneigenschaften von Licht nachgewiesen.Lediglich über die Maxwellschen Gleichungen wissen wir, dass Licht eine EMW sein sollte.

In der Physik aber muss man das durch Experimente bestätigen.

1.9.1 Faradayeffekt

Schon 1845 konnte Faraday zeigen, dass Licht und Magnetismus miteinander in Beziehung stehen.

Ein starkes Magnetfeld kann die Schwingungsebene einer Lichtwelle (damit man das messen kann, sollte das Licht nur in einer Ebene schwingen, also linear polarisiert sein) drehen, wenn in einem Medium (z.B. Glas) ein Magnetfeld in Richtung der Ausbreitungsrichtung von Licht wirkt.

In einem Versuch kann man das zeigen:

Ein gut polarisierter Laserstrahl wird durch ein Flintgalsstück geleitet, das sich in einem starken Magnetfeld befindet.

Das Magnetfeld ist ausgeschaltet.

Ein zweiter Polarisationsfilter (Analysator) wird so eingestellt, dass kein Licht mehr durchkommt (90° verdreht). Schaltet man jetzt das Magnetfeld ein, so dreht sich die Schwingungsebene des Lichtes leicht und es kommt etwas durch den zweiten Filter hindurch.

Durch Nachdrehen des zweiten Filters bis zur erneuten Dunkelheit kann man sogar den Drehwinkel des Lichtes messen.

Physik Uni Freiburg

Mit unseren Schulmitteln hab ich den Versuch auch aufgebaut, man sieht einen kleinen Effekt, wenn man die Polarisationsfilter so einstellt, dass auch ohne Magnetfeld noch Licht durchkommt. Dann kann man erkennen, dass mit dem Magnetfeld der Lichtfleck leicht heller wird (so eingestellt, dass der Faradayeffekt entsprechend die Polarisationsebene dreht). Nur so kann man auch fotografieren.

Laser geht durch das Flintglas

Mit diesem Effekt kann man die Magnetfelder ausmessen, die unsere Galaxis durchziehen. Man nutzt aus, dass die Stärke des Effektes von der Wellenlänge abhängt. Deshalb braucht man die ursprüngliche Schwingungsrichtung des Lichtes nicht zu kennen. Man misst einfach bei zwei verschiedenen Wellenlängen (auch mit Radiostrahlung geht das) den Unterschied der Polarisationsrichtung und kann damit die Stärke des Magnetfeldes messen, das der Lichtstrahl durchlaufen hat.

Das Bild (Rainer Beck, MPIfR, Bonn) zeigt eine Spiralgalaxie und durch kleine schwarze Striche angedeutet den Verlauf des galaktischen Magnetfeldes.

1.9.2 Kerr-Effekt

Bringt man bestimmte Kristalle in ein starkes elektrisches Feld, so  entsteht Doppelbrechung, d.h. es gibt zwei verschiedene gebrochene Strahlen. Das kann unter bestimmten Winkeln auch zu einer Drehung der Schwingungsebene führen.

Hängt der Effekt linear von der elektrischen Feldstärke ab, so spricht man vom Pockelseffekt (Friedrich Pockels um 1900). Hängt der Effekt vom Quadrat der elektrischen Feldstärke ab, so nennt man ihn Kerr-Effekt, nach John Kerr 1875).
Diese Effekte spielen in der nichtlinearen Optik heute eine große Rolle. Da können wir aber nicht näher drauf eingehen.

Schaut euch mal das Video an (2 Minuten). Da seht ihr wie das Licht durchkommt, wenn das elektrische Feld angelegt wird. Im Film wird normales Taschenlampenlicht genommen, das allerdings polarisiert wird, sonst würde man ja die Drehung der Schwingungsebene nicht bemerken.