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法拉第效应实验论文
摘要:介绍法拉第效应实验的基本原理和过程,分析影响实验过程的因素。
引言:1845年,法拉第发现:当一束平面偏振光通过置于磁场中的磁光介质时,平面偏振光的偏振面就会随着平行于光线方向的磁场发生旋转,旋转的这个角度称之为法拉第旋转角。法拉第效应第一次显示了光和电磁现象之间的联系,促进了对光本性的研究。之后费尔德对许多介质的磁致旋光进行了研究,发现了法拉第效应在固体,液体,气体中都存在。
1 原理
当一束平面偏振光通过某一介质,并且在光传播方向上加上一个磁场,那么就会观察到光经过样品后偏振面转过一个角度,即磁场使介质具有旋光效应。通过实验可以发现,旋光效应中,光偏振面旋转角与光波在介质中传播的路程L以及沿光传播方向的磁感应强度分量B成正比θ=VLB。比例系数V称为费尔德数,它表征物质的旋光性。
我们可以这样解释法拉第效应。
如图,我们把偏振光分成左旋和右旋部分,通过厚l的介质会产生不同相位差,
由量子理论,在B场作用下,介质轨道电子磁矩具有势能
是轨道角动量在B方向上的分量。
用能量为的左旋圆偏振光子激发电子,电子在磁场中能级结构与用能量为的光子激发电子,电子在无磁场时能级结构相同。推出,
,
进一步可得,
带入的关系式,有
的关系,所以可以由V和色散关系来验证荷质比的数值。
2 实验装置
法拉第效应实验装置如图所示。由光源产生的复合白光通过小型单色仪后可以获得波长在360~800nm的单色光,经过起偏镜成为单色线偏振光,然后穿过电磁铁。电磁铁采用直流供电,中间磁路有通光孔,保证人射光与磁场B方向一致。根据励磁电流的大小可以求得对应的磁场值。入射光穿过样品后从电磁铁的另一极穿出人射到检偏器上,透过检偏器的光进入光电倍增管,由数显表显示光电流的大小,即出射光强的大小。根据出射光强最大(或最小)时检偏器的位置读数即可得出旋光角。检偏器的角度位置读数也由数显表读出。
3 实验过程
3.1 首先将检偏器手柄与连接座的标记及电磁铁一端的标记,三点调成一直线。(实际实验中已经调好)
3.2 灵敏度旋钮,顺时针为增加,逆时针为减少,灵敏度的高低,直接反映在数显表的数字跳动的快慢。
3.3 把检偏器的手轮顺时针转到头后,再逆时针旋转两圈后,按一下清零按钮。角度表示值为零,微动调零手钮,使数显表的读数为零,即可进行测量。注意在测量前验证一下角度表的零位正确与否,可通过加磁场来检验,把稳流电源接电磁铁,将电流值分别从1A,2A直到5A,观察数显表的示值应该呈线性增加,这就说明角度表的零位在此。微动调零手钮使数显表的示值为零。
3.4 测量法拉第效应角。首先增加电流使数显表示值上升,再通过旋转手轮改变角度,使数显表的示值再次降为零,而这个角度就是法拉第效应角。它实际上是利用光偏振的特性,当偏振角度与入射角度垂直的时候光强为零,而我们做的就是调整角度使之垂直。通过三角形互余准则可知我们转过的角度即为法拉第效应角。
4 实验数据处理
电流(A)
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
B(mT)
0
151
305
453
586
706
803
883
966
1048
0
0.151
0.305
0.453
0.586
0.706
0.803
0.883
0.966
1.048
1.11
460
0
0.0064
0.0241
0.0387
0.052
0.0519
0.0664
0.0787
0.0955
500
0
0.0075
0.0194
0.0316
0.0424
0.0516
0.0596
0.0575
0.0719
0.0756
0.0807
540
0
0.0079
0.0185
0.0287
0.0349
0.0414
0.0529
0.0597
0.0664
0.0719
0.077
580
0
0.0069
0.0168
0.0249
0.0306
0.0363
0.0407
0.0458
0.0502
0.055
电流和磁场的关系图
波长为460nm的偏振波所对应的磁场强度与旋转角度之间的关系
波长为500nm的偏振波所对应的磁场强度与旋转角度之间的关系
波长为540nm的偏振波所对应的磁场强度与旋转角度之间的关系
波长为580nm的偏振波所对应的磁场强度与旋转角度之间的关系
利用实验测量结果,计算出样品介质的各波长的费尔德常数
波长nm
460
500
540
580
费尔德常数
9.31
7.33
6.94
5.14
旋光色散曲线
4 影响实验过程和结果的因素
4.1 实验装置的调整
在实验中,我在增加电流强度的过程中尤其是越高的电流,最后调节手轮往往不能使数显示值降为零。在老师的协助下,我才发现原因主要还是仪器的精确调整问题。首先要调整单色仪使单色仪处于水
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