Биизотропный материал

редактировать

В физике, машиностроении и материаловедении, биизотропные материалы имеют специальные оптические свойство, что они могут вращать поляризацию света либо в преломлении, либо в пропускании. Это не означает, что все материалы с твист-эффектом относятся к классу биизотропных материалов. Эффект скручивания класса биизотропных материалов вызван хиральностью и не взаимностью структуры среды, в которой электрическое и магнитное поле электромагнитные волны (или просто свет) взаимодействуют необычным образом.

Содержание

1 Определение
2 Константа связи
3 Классификация
4 Примеры
5 См. Также
6 Ссылки

Определение

Для большинства материалов, электрическое поле E и электрическое смещение поле D (а также магнитное поле B и индуктивное магнитное поле H) параллельны друг друга. Эти простые среды называются изотропными, а отношения между полями могут быть выражены с помощью констант. Для более сложных материалов, таких как кристаллы и многие метаматериалы, эти поля не обязательно параллельны. Когда один набор полей параллелен, а другой - нет, материал называется анизотропным. Кристаллы обычно имеют поля D, которые не выровнены с полями E, в то время как поля B и H остаются связанными постоянной. Материалы, в которых любая пара полей не параллельна, называются анизотропными.

В биизотропной среде электрическое и магнитные поля связаны. Материальные отношения равны

D = ε E + ξ H {\ displaystyle D = \ varepsilon E + \ xi H \,}

{\ displaystyle D = \ varepsilon E + \ xi H \,}

B = μ H + ζ E {\ displaystyle B = \ mu H + \ zeta E \,}

{\ displaystyle B = \ mu H + \ zeta E \,}

D, E, B, H, ε и μ соответствуют обычным электромагнитным свойствам. ξ и ζ - константы взаимодействия, которые являются внутренней константой каждой среды.

Это можно обобщить на случай, когда ε, μ, ξ и ζ являются тензорами (т.е. они зависят от направления в материале), и в этом случае среда называется бианизотропный.

Константа взаимодействия

ξ и ζ могут быть дополнительно связаны с Tellegen (называемой взаимностью) χ и хиральностью κ параметр

χ - я κ = ξ ε μ {\ displaystyle \ chi -i \ kappa = {\ frac {\ xi} {\ sqrt {\ varepsilon \ mu}}}}

{ \ displaystyle \ chi -i \ kappa = {\ frac {\ xi} {\ sqrt {\ varepsilon \ mu}}}}

χ + i κ = ζ ε μ {\ displaystyle \ chi + i \ kappa = {\ frac {\ zeta} {\ sqrt {\ varepsilon \ mu}}}}

{\ displaystyle \ chi + i \ kappa = {\ frac {\ zeta} {\ sqrt {\ varepsilon \ mu}}}

после подстановки приведенных выше уравнений в определяющие соотношения дает

D знак равно ε E + (χ - я κ) ε μ H {\ Displaystyle D = \ varepsilon E + (\ chi -i \ kappa) {\ sqrt {\ varepsilon \ mu}} H}

{\ displaystyle D = \ varepsilon E + (\ chi -i \ kappa) {\ sqrt {\ varepsilon \ mu}} H}

B = μ H + ( χ + я κ) ε μ E {\ displaystyle B = \ mu H + (\ chi + i \ kappa) {\ sqrt {\ varepsilon \ mu}} E}

{\ displaystyle B = \ mu H + (\ chi + i \ kappa) {\ sqrt {\ varepsilon \ mu}} E}

Классификация

	нехиральный $κ Знак равно 0 {\ displaystyle \ kappa = 0 \,}$ ${ \ displaystyle \ kappa = 0 \,}$	хиральный $κ ≠ 0 {\ displaystyle \ kappa \ neq 0}$ ${\ displaystyle \ kappa \ neq 0}$
обратный $χ = 0 {\ displa ystyle \ chi = 0 \,}$ ${ \ displaystyle \ chi = 0 \,}$	простой изотропный средний	пастеровский средний
невзаимный $χ ≠ 0 {\ displaystyle \ chi \ neq 0}$ ${\ displaystyle \ chi \ neq 0}$	Среда Теллегена	Общая биизотропная среда

Примеры

Пастеровская среда может быть получена путем смешивания металлических спиралей одной направленности в смола. Необходимо проявлять осторожность, чтобы обеспечить изотропию: спирали должны быть ориентированы случайным образом, чтобы не было особого направления.

Магнитоэлектрический эффект можно понять по спирали, когда она подвергается воздействию электромагнитного поля. Геометрию спирали можно рассматривать как индуктор. Для такой структуры магнитная составляющая электромагнитной волны индуцирует ток в проводе и дополнительно влияет на электрическую составляющую той же самой электромагнитной волны.

Из определяющих соотношений для пастеровской среды χ = 0,

D = ε E - i κ ε μ H. {\ displaystyle D = \ varepsilon E-i \ kappa {\ sqrt {\ varepsilon \ mu}} H.}

{\ displaystyle D = \ varepsilon Ei \ kappa {\ sqrt {\ varepsilon \ mu}} H.}

Следовательно, поле D задерживается на фазу i из-за отклика поля H.

Среда Tellegen - это противоположность среды Пастера, которая является электромагнитной: электрическая составляющая вызывает изменение магнитной составляющей. Такой носитель не так прост, как концепция руки. Электрические диполи, связанные с магнитами, относятся к этому виду среды. Когда диполи выравниваются по составляющей электрического поля электромагнитной волны, магниты также будут реагировать, поскольку они связаны друг с другом. Таким образом, изменение направления магнитов приведет к изменению магнитной составляющей электромагнитной волны и так далее.

Из определяющих соотношений для среды Tellegen κ = 0,

B = μ H + χ ε μ E {\ displaystyle B = \ mu H + \ chi {\ sqrt {\ varepsilon \ mu} } E}

{\ displaystyle B = \ mu H + \ chi {\ sqrt {\ varepsilon \ mu}} E}

Это означает, что поле B отвечает по фазе с полем H.

См. Также

Ссылки

^Mackay, Tom G. ; Лахтакия, Ахлеш (2010). Электромагнитная анизотропия и бианизотропия: практическое руководство. Сингапур: World Scientific. Архивировано с оригинального 13.10.2010. Проверено 11 июля 2010.
^Лахтакия, Ахлеш (1994). Поля Бельтрами в хиральных СМИ. Сингапур: World Scientific. Архивировано с оригинального 03.01.2010. Проверено 11 июля 2010 г.
^Lindell, I.V.; Shivola, A.H.; Третьяков, С.А.; Виитанен, А.Дж. Электромагнитные волны в хиральных и биизотропных средах.