Биизотропный материал

В физике , инженерии и материаловедении биизотропные материалы обладают особым оптическим свойством, которое заключается в том, что они могут вращать поляризацию света как при преломлении, так и при пропускании . Это не означает, что все материалы с эффектом поворота попадают в класс биизотропных материалов. Эффект поворота класса биизотропных материалов обусловлен хиральностью и невзаимностью структуры среды, в которой электрическое и магнитное поле электромагнитной волны (или просто света) взаимодействуют необычным образом.

Для большинства материалов электрическое поле E и электрическое поле смещения D (а также магнитное поле B и индуктивное магнитное поле H ) параллельны друг другу. Эти простые среды называются изотропными , а соотношения 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 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 константой. Материалы, в которых любая пара полей не параллельна, называются анизотропными.

В биизотропных средах электрические и магнитные поля связаны. Определяющие соотношения следующие:

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

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

D , E , B , H , ε и μ соответствуют обычным электромагнитным качествам. ξ и ζ — константы связи, которые являются собственной константой каждой среды.

Это можно обобщить на случай, когда ε , μ , ξ и ζ являются тензорами (т.е. они зависят от направления внутри материала), в этом случае среда называется бианизотропной . ^[1]

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

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

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

после подстановки приведенных выше уравнений в определяющие соотношения, получаем

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

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

	нехиральный ${\displaystyle \каппа =0\,}$	хиральный ${\displaystyle \каппа \neq 0}$
взаимный${\displaystyle \чи =0\,}$	простая изотропная среда	Среда Пастера
невзаимный${\displaystyle \chi \neq 0}$	Теллеген Медиум	Общая биизотропная среда

Пастеровские среды можно изготовить, смешав металлические спирали односторонности со смолой. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы обеспечить изотропность: спирали должны быть ориентированы случайным образом, чтобы не было никакого особого направления. [ ^{2] [3]}

Магнитоэлектрический эффект можно понять из спирали, поскольку она подвергается воздействию электромагнитного поля. Геометрию спирали можно рассматривать как индуктор . Для такой структуры магнитная составляющая ЭМ волны индуцирует ток в проводе и далее влияет на электрическую составляющую той же ЭМ волны.

Из основных соотношений для сред Пастера χ = 0,

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

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

Среда Теллегена является противоположностью среды Пастера, которая является электромагнитной: электрический компонент вызовет изменение магнитного компонента. Такая среда не так проста, как концепция хандированности. Электрические диполи, связанные с магнитами, относятся к этому типу сред. Когда диполи выстраиваются в соответствии с компонентом электрического поля ЭМ волны, магниты также будут реагировать, поскольку они связаны вместе. Изменение направления магнитов, следовательно, изменит магнитный компонент ЭМ волны и так далее.

Из определяющих соотношений для сред Теллегена κ = 0,

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

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

• Анизотропия
• Хиральность (электромагнетизм)
• Метаматериал
• Взаимность (электромагнетизм)
• Уравнения_Максвелла#Основные_соотношения