Заттың электр өрісі әсерінен анизотропты болуы

Жасанды анизотропия мысалына сыртқ ы электр ө рісі ә серінен затта пайда болатын анизотропия жатады. Анизотропияның осы тү рін 1875ж. ағ ылшын физигі Дж. Керр (1824-1907) ашқ ан. Сондық тан бұ л Керр эффекті деп аталады. Алғ ашында электр ө рісінде сә уленің қ осарлана сынуы қ атты диэлектриктерде, бұ ларды зарядталғ ан конденсатордың пластиналары аралығ ына қ ойғ ан кезде байқ алғ ан.

Сұ йық тардағ ы Керр эффектіні айқ астырылғ ан П₁ жә не П₂ поляризаторлардың аралығ ына жазық конденсатор пластинкалары ендірілген кюветаны (Керр ұ яшығ ы) орналастырып бақ ылауғ а болады (1-сурет). Егер П₁ жә не П₂ айқ астырылғ ан болса, ал конденсатор пластинкаларының аралығ ында электр ө рісі жоқ болса, онда жү йе арқ ылы жарық ө тпейді. Егер конденсатор зарядталып, электр ө рісі пайда болса, жү йеден жарық ө теді де кө ру ө рісі жарық тартады. ¤йткені электр ө рісі ә серінен сұ йық тық оптикалық қ асиеттері бойынша оптикалық ө сі электр ө рісі бойымен бағ ытталғ ан бірө сті кристалғ а ұ қ сас болады. Демек, кюветадан эллипстік поляризацияланғ ан жарық шығ ады жә не оны ширек толқ ындық пластинка кө мегімен зерттеуге болады. Поляризаторлардың бас жазық тық тары ө ріс бағ ытымен нө лден ө згеше бұ рыш қ ұ райды (ең дұ рысы, егер ол 45⁰-қ а тең болса).

Сондық тан ө ріске перпендикуляр бағ ытта тү скен жазық поляризацияланғ ан сә уле кә дімгі жә не ө згеше сә улелерге жіктеледі, одан шық қ ан жарық эллипстік поляризацияланғ ан болады да П₂ поляризатордан (анализатордан) ө те алады, кө ру ө рісі жарық тартады.

Толқ ын ұ зындығ ы монохраматты жарық ү шін сыну кө рсеткіштерінің айырмасы электр ө рісі кернеулігінің квадратына пропорционал болады: , мұ ндағ ы -сұ йық тық ты сипаттайтын тұ рақ ты. Жарық сұ йық тың қ алың дығ ынан ө ткенде кә дімгі жә не ө згеше сә улелер арасында

жол айырымы пайда болады. Осы жағ дайдағ ы фазалар айырымы мынағ ан тең болады:

немесе ,

мұ ндағ ы - берілген сұ йық тық ү шін тә н шама (Керр тұ рақ тысы). Керр тұ рақ тысы температурағ а жә не жарық тың толқ ын ұ зындығ ына тә уелді. -ның -ден тә уелділігі квадраттық болуының арқ асында кә дімгі жә не ө згеше сә улелер арасындағ ы фазалар айырымы электр ө рісінің бағ ытына тә уелді болмайды.

Сұ йық тық тардың кө пшілігі ү шін (), яғ ни бұ лардың анизотропиясы оң кристалдың анизотропиясына сә йкес келеді. Бірақ та () болатын сұ йық тық тар да болады. Єртү рлі заттар ү шін Керр тұ рақ тысының сан мә ндері тіптен ә ртү рлі. Барлық белгілі заттардың ішінен нитробензол ең ү лкен мә нге ие: см/В². см жә не В/см болғ анда нитробензол ү шін , яғ ни осындай Керр ұ яшығ ы ширек толқ ынды пластинка сияқ ты ә рекет етеді.

Керр эффектінің теориясын 1910ж. француз физигі Ланжевен (1872-1946) жә не 1918ж. неміс физигі Борн (1882-1970) жасағ ан. Теория негізіне сұ йық тық немесе газ молекулаларының оптикалық анизотропиясы, яғ ни молекулалардың ә ртү рлі бағ ыттар бойынша, ә ртү рлі поляризацияланғ ыштығ ы жайындағ ы кө рініс алынғ ан.

¤ріс жоқ кезде орта молекулалары бейберекет орналасады, демек жарық толқ ынының кез-келген бағ ытта жә не электр векторы қ алай бағ дарланғ ан болса да оның таралу жолында орташа алғ анда бірдей жағ дай кездесетін болады, яғ ни макроскопиялық тұ рғ ыдан орта изотропты болып табылады. Сыртқ ы электр ө рісі тү сірілгенде оның ә серінен молекулалар бір бағ ытта басым бағ дарланады, осыдан ортада молекулалардың басқ а бағ ыттарғ а қ арағ анда ү лкенірек поляризацияланғ ыштығ ымен сипатталатын оқ шау бағ ыт пайда болады. Осының нә тижесінде орта анизотропты ортағ а айналады. Сондық тан жарық толқ ынының таралу жылдамдығ ы электр векторының ортаның ішінде ең ү лкен поляризацияланушылық бағ ытына қ атысты орналасуына тә уелді, яғ ни толқ ынның поляризациясы мен оның таралу бағ ытына тә уелді болады.

Сыртқ ы электр ө рісі симметрия ө сі болатындық тан, ө ріс бойындағ ы диэлектрлік ө тімділік перпендикуляр бағ ыттағ ы диэлектрлік ө тімділіктен ө згеше болады. Бірақ ө ріс бағ ытына перпендикуляр барлық бағ ыттар тең праволы болатындық тан, координаттар остерін ө рістің () бойымен жә не екі ө зара перпендикуляр бағ ыттарда, мысалы, сә уле бойымен () жә не оғ ан перпендикуляр () бағ ытында таң дап алып, диэлектрлік ө тімділік мә ндері жә не болатын ү ш бас бағ ытты аламыз. Сонымен, Френель эллипсоиды осы жағ дайда айналыс эллипсоиды болады да орта бірө сті кристалғ а ұ қ сас болып шығ ады, ал электр ө рісінің бағ ыты оптикалық ось бағ ыты болады.

Сыртқ ы электр ө рісі ә серінен молекулалардың бағ дарлануы екі тү рлі болады. Полярлық емес молекулалар жағ дайында, яғ ни тұ рақ ты дипольдық моменті жоқ молекулалар жағ дайында, ө ріс ә серінен молекулалар поляризацияланады (индукцияланғ ан (жасанды) дипольдық момент қ абылдайды).

Жасанды дипольдық момент электр ө рісінің кернеулігіне пропорционал: , мұ ндағ ы -молекуланың поляризацияланушылық тензоры. Сыртқ ы ө рістің бағ дарландырушы ә рекеті былай білінеді: ө рістің бойымен молекулалар ең ү лкен поляризациялану бағ ыты бойынша сап тү зейді. Сонымен, орта анизотропты ортағ а айналады.

Егер осындай ортағ а жарық шоғ ы тү сетін болса, онда ең ү лкен сыну кө рсеткішіне электрлік векторы молекулалардың ең ү лкен поляризациялану бағ ытымен, яғ ни сыртқ ы ө ріс бағ ытымен дә л келетін толқ ындар ие болады. Электр ө рісінің бағ ыты ортағ а қ атысты оптикалық ось ролін атқ аратындық тан, демек сыну кө рсеткіші ең ү лкен толқ ын ө згеше толқ ын болып табылады (тербеліс оптикалық ось бойымен жасалады), яғ ни жә не Керр тұ рақ тысы .

Тұ рақ ты дипольдық моменті бар полярлық молекулалар жағ дайында поляризациялану индукция салдарынан ғ ана емес, молекулалардың сыртқ ы электр ө рісінде бағ дарлануы салдарынан да болады. Бірақ та молекуладағ ы тұ рақ ты дипольдық моменттің бағ ыты ең ү лкен поляризациялану бағ ытымен дә лдеспеуі мү мкін екендігін ескеру керек. Осы жағ дайда молекула сыртқ ы ө ріс бағ ытында оның тұ рақ ты моменті орналасатындай болып бағ дарланады, ал ең ү лкен поляризациялану бағ ыты (яғ ни ең ү лкен диэлектрлік ө тімділік бағ ыты) оптикалық ось ролін атқ аратын электр ө рісі бағ ытымен бұ рыш жасап тұ руы мү мкін. Осы екі бағ ыттың қ алай орналасуларына қ арай зат теріс немесе оң Керр тұ рақ тысының мә німен сипатталатын болады. Мә селен, ең ү лкен поляризациялану бағ ыты тұ рақ ты момент бағ ытымен дә лдесетін болса, онда . Қ айсыбір аралық жағ дайда нолге тең болуы да мү мкін.

Сыртқ ы электр ө рісінің бағ дарлаушы ә рекетіне молекулалардың жылулық қ озғ алысы қ арсы ә рекет етеді, бұ л температура артқ анда -ның кемуін туғ ызады. Жалпы алғ анда, Керр эффектінің бағ дарлық теориясы сұ йық тарғ а тә н молекулалар арасындағ ы ә серлесулерді елемеуге болатын газдар ү шін дұ рыс болады.

Сонымен, Керр эффектінің ө ріс кернеулігінің квадратына тә уелді болуына электр ө рісіндегі жасанды анизотропия, біріншіден, молекулалардың электр ө рісі ә рекетінен поляризациялану қ абілетіне, екіншіден, поляризацияланғ ан молекулалардың осы ө рісте бағ дарлану дә режесіне тә уелді болуы себепші болады.