Биизотропный материал

В физике , технике и материаловедении , биизотропные материалы обладают особым оптическим свойством, заключающимся в том, что они могут вращать поляризацию света как при преломлении так и при пропускании . Это не означает, что все материалы с эффектом твиста относятся к биизотропному классу. Твист-эффект класса биизотропных материалов обусловлен киральностью и невзаимностью структуры сред, в которых электрическое и магнитное поле электромагнитной волны необычным образом взаимодействуют (или просто света).

Определение

Для большинства материалов электрическое поле E и электрического смещения поле D (а также магнитное поле B и индуктивное магнитное поле H ) параллельны друг другу. Эти простые среды называются изотропными , а связи между полями можно выразить с помощью констант. Для более сложных материалов, таких как кристаллы и многие метаматериалы, эти поля не обязательно параллельны. Когда один набор полей параллельны, а другой нет, материал называется анизотропным . Кристаллы обычно имеют поля D , которые не совпадают с полями E , в то время как поля B и H остаются связанными константой. Материалы, в которых любая пара полей непараллельна, называются анизотропными.

В биизотропных средах электрическое и магнитное поля связаны. Основополагающие отношения – это

$D=\varepsilon E+\xi H\,$

$B=\mu H+\zeta E\,$

D , E , B , H , ε и µ соответствуют обычным электромагнитным качествам. ξ и ζ — константы связи, 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 внутри материала), и в этом случае среда называется бианизотропной .

Константа связи

ξ и ζ могут быть дополнительно связаны с параметром Теллегена (называемым взаимностью) χ и киральности κ. параметром

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

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

после подстановки приведенных выше уравнений в определяющие соотношения дает

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

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

Классификация

	нехиральный $\kappa =0\,$	хиральный $\kappa \neq 0$
взаимный $\chi =0\,$	простая изотропная среда	Пастер Среда
невзаимный $\chi \neq 0$	Теллеген Средний	Общая биизотропная среда

Примеры

Среду Пастера можно приготовить путем смешивания однонаправленных металлических со спиралей смолой . Необходимо соблюдать 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 . В такой структуре магнитная составляющая электромагнитной волны индуцирует ток в проводе и дополнительно влияет на электрическую составляющую той же электромагнитной волны.

Из определяющих соотношений для сред Пастера χ = 0,

$D=\varepsilon E-i\kappa {\sqrt {\varepsilon \mu }}H.$

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

Среда Теллегена является противоположностью среды Пастера, которая является электромагнитной: электрический компонент вызывает изменение магнитного компонента. Такая среда не так проста, как концепция ручности. электрические диполи К такому типу сред относятся , связанные магнитами. Когда диполи выравниваются по компоненту электрического поля электромагнитной волны, магниты также реагируют, 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 теллегенских сред κ = 0,

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

Это означает, что поле B реагирует синфазно с H. полем

См. также

• Анизотропия
• Хиральность (электромагнетизм)
• Метаматериал
• Взаимность (электромагнетизм)
• Максвелла_уравнения#Constitutive_relations