Лабораторные работы по электронике Исследование полевых транзисторов Исследование биполярных транзисторов Полупроводниковые выпрямители Электронный усилитель на транзисторах Исследование варикапов

Лабораторная работа № 3

Изучение вращения плоскости поляризации в магнитном поле (эффект Фарадея).

Цель работы.

Ознакомление с теорией эффекта Фарадея; наблюдение вращения плоскости поляризации при прохождении света через вещество, помещенное в магнитное поле.

Краткая теория.

Одним из явлений, возникающих при взаимодействии света с веществом, является вращение плоскости поляризации. Вещества, обладающие способностью вращать плоскость поляризации, называются оптически активными.

В 1846 г. Фарадей обнаружил вращение плоскости поляризации в неактивных телах, возникающее под действием магнитного поля. Наблюдение эффекта Фарадея производилось следующим образом: прозрачное тело помещалось между просверленными полюсами сильного электромагнита, и через него параллельно силовым линиям магнитного поля пропускали луч линейно поляризованного света. С помощью анализатора было установлено, что при включении поля выходящий свет оказывался поляризованным в другой плоскости. Угол поворота  плоскости поляризации пропорционален длине пути  света в веществе и напряженности  магнитного поля:

(23)

где   - постоянная, характерная для данного вещества и называемая постоянной Верде, или магнитной вращательной способностью. Для данного вещества  зависит от его физического состояния, длины волны света и слабо - от температуры.

Магнитное вращение плоскости поляризации обнаруживают все тела, но обычно в малой степени. Очень сильное вращение плоскости поляризации наблюдается в тонких слоях ферромагнитных материалов (Fe ,Со, Ni). Однако для них угол поворота  не пропорционален .

Направление магнитного вращения плоскости поляризации определяется направлением внешнего магнитного поля и не зависит от направления распространения света. Знак вращения условно считают для наблюдателя, смотрящего вдоль силовых линий магнитного поля. Вращение, происходящее по часовой стрелке, считается положительным; отрицательное вращение происходит против часовой стрелки. Большинство веществ обладает положительным вращением; отрицательно вращающие вещества, как правило, являются парамагнитными.

Если тела обладают естественной оптической активностью, то при внесении в магнитное поле их естественная способность вращать плоскость поляризации световой волны складывается со способностью вращать во внешнем магнитном поле. Следует, однако, учитывать, что при естественном вращении направление вращения зависит от направления распространения света.

Согласно феноменологической теории вращение плоскости поляризации можно объяснить, предположив, что право и левоциркулярно поляризованные компоненты в магнитном поле имеют разные показатели преломления  и . Линейно поляризованный свет можно представить как сумму двух волн E1 и E2 с равными амплитудами и частотами, поляризованных по правому и левому кругу. Поскольку амплитуды и частоты круговых составляющих одинаковы, геометрическая сумма E векторов E1 и E2 в каждый данный момент времени будет лежать в одной и той же плоскости P (рис.21а).

Если  и . различны, то волны, поляризованные по кругу вправо и влево, распространяются с разными скоростями

и при прохождении пути , в веществе один из векторов (E1 и E2) отстанет по фазе при своем вращении от другого вектора (рис.21б). В результате плоскость P, в которой лежит результирующий вектор E, повернется относительно первоначальной плоскости на угол :

(24)

где   - угловая частота, c - скорость света.

Существование различных показателей преломления для циркулярно поляризованных в противоположных направлениях волн следует из электронных представлений Лоренца. По Лоренцу, оптические процессы обусловлены движением электронов в атоме. Поэтому для объяснения эффекта Фарадея нужно рассмотреть движение квазиупруго связанного электрона в поле световой волны в присутствии внешнего магнитного поля. Под действием магнитного поля изменяются собственные периоды колебаний атомов. В результате этого решение уравнения движения электрона во внешнем магнитном поле и поле световой волны, представляющей собой совокупность двух поляризованных по правому и левому кругу волн, приводит к двум различным значениям показателя преломления, а значит, и к различным скоростям распространения этих волн.

Предыдущее утверждение можно обрисовать другими словами. При наложении магнитного поля орбита оптического электрона начинает прецессировать вокруг направления магнитного поля с частотой Лармора

 

Если на эту атомную систему падает волна с частотой , поляризованная по кругу в положительном направлении, то ее частота по отношению к вращающейся координатной системе будет, очевидно, на меньше. Волна той же частоты, но поляризованная в противоположном направлении, имеет во вращающейся координатной системе большую частоту . Поэтому показатели преломления для обеих рассматриваемых волн будут различны (дисперсия показателя преломления). Обозначим показатель преломления правополяризованной волны , а левополяризованной волны . Поскольку , то

 

тогда для  получается выражение Сравнивая последнюю формулу с (23), получим

(25)

По формуле Коши , где A, B, C - постоянные величины.

Из (25), учитывая формулу Коши, следует, что вдали от полос поглощения постоянная Верде обратно пропорциональна квадрату длины волны.

5.3. Методика эксперимента Т.

Схема установки для изучения магнитного вращения плоскости поляризации представлена на рис.22.

Здесь S - источник света (лампа накаливания), O1 и О2 – фокусирующие линзы, УМ-2 - универсальный монохроматор, П - поляризатор, К - кварцевая пластинка в , Т - образец, помещенный внутри соленоида С, А - анализатор, ОБ - объектив зрительной трубы, ПК - переключатель тока соленоида, БП- блок питания соленоида.

Источником света служит лампа накаливания 12B, 60 Вт.

Питание лампы осуществляется через понижающий трансформатор.

Трансформатор включается в сеть 220 В. Универсальный монохроматор УМ-2 служит для выделения нужной области спектра. Определенная область спектра выводится на выходную щель монохроматора вращением диспергирующей призмы с помощью отсчетного барабана Б (рис.22). Используемая длина волны определяется по градуировочному графику монохроматора, связывающего деления барабана с длинами волн на выходе. Деления барабана считаются против указателя (риски) на ползунке.

Магнитное поле создается соленоидом, питающимся от выпрямителя. Величина силы тока фиксируется амперметром, встроенным на передней панели выпрямителя. Предел измерений амперметра 0 + 20 А.

Направление тока в соленоиде изменяется переключателем ПК. Переключатель имеет три фиксированных положения: среднее положение (ручка вертикально) соответствует отсутствию тока в соленоиде. Два других положения соответствуют разным направлениям тока через соленоид.

Постоянная соленоида равна К = 47 Э/А. Для измерения угла поворота плоскости поляризации применяется полутеневое устройство, включающее в себя поляризатор, полуволновую пластинку и анализатор. При визуальном наблюдении поле зрения имеет вид круга, разделенного на три части (рис.23а). В середине поля зрения расположена кварцевая пластинка в .

Пусть поляризатор пропускает колебания, лежащие в плоскости Р1. Колебания, прошедшие через кварцевую пластинку, останутся линейно поляризованными, однако плоскость поляризации повернется на некоторый угол  и будет лежать в плоскости P2 (рис.23б) (см.п.1.5).

Если плоскость пропускания анализатора расположить перпендикулярно Р1, то погасится компонента, пропускаемая поляризатором. При этом края поля зрения будут темными, а середина - светлой (рис.24а).

Если же плоскость пропускания анализатора расположить перпендикулярно P2, то будет погашен пучок, ответственный за освещение средней части поля зрения (рис. 246).

При положении анализатора A||OC или AOC поле зрения будет освещено равномерно(рис.23б, ОС – биссектриса угла ) и рис.24В. Положение анализатора AOC, дающее слабое освещение – полутень, более выгодно в отношении точности установки на равенство освещенности благодаря физиологическим особенностям глаза, более чувствительного к изменению малых интенсивностей. При малом смещении  анализатора из положения, соответствующего полутени, равенство освещенности поля зрения резко нарушается.

Для определения угла поворота плоскости поляризации нужно установить равномерное освещение поля зрения в полутени без магнитного поля и в присутствии поля. Угловая разность показаний лимба в этих двух положения и есть угол поворота плоскости поляризации.

Инновационные методы в обучении физики Тестирование-контроль знаний с помощью тестов, которые состоят из условий (вопросов) и вариантов ответов для выбора (используется для входного контроля на практическом занятии № 1 для оценки уровня остаточных знаний студентов пришедших на первый курс).
Методические указания к выполнению лабораторных работ по электронике