法拉第效應(yīng)實驗報告參考模板

1、法拉第效應(yīng)實驗報告1 / 10 法拉第效應(yīng)【摘要】實驗利用勵磁電流產(chǎn)生磁場，首先測量磁場和勵磁電流之間的關(guān)系，利用磁場和勵磁電流之間的線性關(guān)系，用電流表征磁場的大小，用消光的方法測定zf6 樣品的旋光角和磁場的關(guān)系，用倍頻法測量mr3 樣品的旋光角和磁場的關(guān)系。最后讓偏振光分別兩次通過 mr3 樣品，區(qū)分自然旋光和法拉第旋光，驗證法拉第旋光的非互易性。關(guān)鍵詞：法拉第旋光、旋光角、倍頻法、消光法。引言法拉第效應(yīng)1845 年由法拉第發(fā)現(xiàn)。法拉第效應(yīng)可用于混合碳水化合物成分分析和分子結(jié)構(gòu)研究。近年來在激光技術(shù)中這一效應(yīng)被利用來制作光隔離器和紅外調(diào)制器。由于法拉第效應(yīng)的其他性質(zhì)，他還有其他更多的應(yīng)用。

2、法拉第效應(yīng)可用來分析碳?xì)浠衔铮蛎糠N碳?xì)浠衔镉懈髯缘拇胖滦馓匦?；在光譜研究中，可借以得到關(guān)于激發(fā)能級的有關(guān)知識；在激光技術(shù)中可用來隔離反射光，也可作為調(diào)制光波的手段。法拉第旋光在強(qiáng)磁場下具有非互易性，這種非互易的本質(zhì)在微波和光的通信中是很重要的。許多微波、光的隔離器、環(huán)行器、開關(guān)就是用旋轉(zhuǎn)角大的磁性材料制作的。原理當(dāng)線偏振光穿過介質(zhì)時，若在介質(zhì)中加一平行于光的傳播方向的磁場，則光的振動面將發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種磁致旋光現(xiàn)象是1845 年由法拉第首先發(fā)現(xiàn)的，故稱為法拉第效應(yīng)。振動面轉(zhuǎn)過的角度稱為法拉第效應(yīng)旋光角。實驗發(fā)現(xiàn) vbl （1）其中 為法拉第效應(yīng)旋光角；l 為介質(zhì)的厚度；b為平行與光傳播方

3、向的磁感強(qiáng)度分量； v稱為費爾德 (verdet)常數(shù)。一般約定，當(dāng)光的旋轉(zhuǎn)方向與產(chǎn)生磁場的電流的方向一致時，稱法拉第旋轉(zhuǎn)是左旋，v0; 反之則叫右旋,v，有0，表示右旋；若，有0 表示左旋。利用經(jīng)典的電動力學(xué)中的介質(zhì)極化和色散的振子模型，原子中的被束縛的電子在光波電場的作用下作受迫振動。除光場外，再在介質(zhì)上加上一個靜電場b，此時，電子的運(yùn)動方程為（ 5）式中， m 是電子質(zhì)量，-e 是電子電荷，k 是偶極子的彈性恢復(fù)系數(shù)，是電子離開平衡位置的位移。對（ 5）進(jìn)行求解約化，對于可見光，且 b較小時有，（6）其中，為電子軌道磁矩在外磁場的經(jīng)典拉摩爾進(jìn)動頻率；n 表示單位體積內(nèi)的電子數(shù)；稱為回旋加

4、速角頻率；就是光場具有的時間變化下的角頻率，是真空的介電系數(shù)。同理有，（7）無磁場的介質(zhì)的色散公式為：，（8）由以上推到得出如下結(jié)論：（1）在加磁場的作用下，電子作受迫振動，振子的固有頻率由變?yōu)椋@正是對應(yīng)的吸收光譜的塞曼效應(yīng)（倒塞曼效應(yīng)）；法拉第效應(yīng)實驗報告（2）由于的變化導(dǎo)致了折射率的變化，并且左、右旋圓偏振光的變化是不同的，尤其是在接近時，差別更為突出，這就是法拉第效應(yīng)。實際上，、和 n 相差微小，可以近似的認(rèn)為. （9）將（ 6） 、 （ 7） 、 （8）帶入（ 9） ，再利用條件，整理得到（10）式中 c 是光速。對（ 8）微分得到（11）將（ 11）帶入（ 10）中，利用關(guān)系式，得

5、到（12）令，（13）就是前面定義的費爾德常數(shù)，為入射光波長，為介質(zhì)在無磁場時的色散。從上面的推到看，左右旋只是相對于磁場方向而言的，與光波的傳播方向與磁場方向相同或相反無關(guān)，因此，法拉第效應(yīng)是和自然旋光不一樣的不可逆過程。測量法拉第旋光角的光調(diào)制法磁光調(diào)制器工作原理在起偏器和檢偏器之間插入一個由交變線圈磁化的磁光石榴石單晶膜，就構(gòu)成一個磁光調(diào)制器。當(dāng)不加交變電流是，起偏器和檢偏器之間的夾角為，外加交變電流時，產(chǎn)生一個旋光角。當(dāng)不變時，通過的光強(qiáng)i 隨變化，而由磁場決定，磁場又由電流決定，所以光強(qiáng)實際由外加電流決定。這就是磁光調(diào)制器的工作原理。最終光強(qiáng)的最大值和最小值實際由和決定，當(dāng)時，有如下

6、關(guān)系（14）法拉第效應(yīng)實驗報告其中叫做調(diào)制深度，同時還有（15）根據(jù)光強(qiáng)的最大值和最小值便可以求出時的光調(diào)制深度和調(diào)制角幅度。磁光調(diào)制倍頻法在檢偏器的前面加入一待測樣品后，經(jīng)過調(diào)制的線偏振光通過樣品，當(dāng)樣品被磁化時，偏振面由原來的偏振方向p改變?yōu)?p ，并在范圍內(nèi)擺動。若檢偏器允許通過的光的偏振方向a 與的夾角為則光通過檢偏器后的強(qiáng)度為（16）展開上式中的余弦項，并且利用小角近似后得到（17）上式第一項為一直流信號，第二項為基頻信號，第三項為倍頻信號。當(dāng)時，倍頻信號與基頻信號相比可以忽略，所以只有基頻信號；當(dāng)時，但很接近時，此時基頻信號減小，出現(xiàn)倍頻信號；當(dāng)時，此時基頻信號消失，只出現(xiàn)倍頻信號

7、。測量時，根據(jù)放入樣品前后出現(xiàn)倍頻信號的位置就可以確定樣品的法拉第旋光角。如果旋光角已知，則可以精確測量樣品的厚度。實驗實驗裝置主要原理圖如下所示圖 1.法拉第旋光角測量原理圖如上圖所示激光通過起偏器后稱為先偏振光，經(jīng)過磁光調(diào)制器調(diào)制后進(jìn)入被測樣品，出射后偏振面旋轉(zhuǎn)角。被調(diào)制和旋轉(zhuǎn)的線偏振光入射倒檢偏器，光電二極管接收后轉(zhuǎn)變法拉第效應(yīng)實驗報告為電信號輸入到放大器放大后輸入示波器進(jìn)行顯示和測量。法拉第效應(yīng)實驗報告實驗儀器：氦氖激光器（輸出波長為632.8nm ） 、電磁鐵、起偏器、測角儀、光電二極管、電源。實驗內(nèi)容(1)測定磁場的均勻性及磁場的標(biāo)定(2)測定勵磁電流i 和磁感應(yīng)強(qiáng)度b 的關(guān)系；(

8、3)測定 zf6和 mr3 玻璃的b 關(guān)系曲線；(4)設(shè)計光路區(qū)分自然旋光和法拉第旋光。實驗數(shù)據(jù)處理與分析測定磁場的均勻性i=0.4a時, 測得中間, 左右, 上下五處的磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為0.1272t,0.1123t,0.1155t,0.1375t,0.1308t. 因此選擇4 處作為磁感應(yīng)強(qiáng)度測量點. 結(jié)論 :磁場是不均勻的,而且最強(qiáng)的點不一定是中間點. 勵磁電流 i 與磁感應(yīng)強(qiáng)度 b的關(guān)系數(shù)據(jù)如下表1 所示勵磁電流 i （a） 磁感應(yīng)強(qiáng)度b（t）0 0 0.20 -0.0758 0.40 -0.1375 0.65 -0.2029 0.85 -0.2889 1.05 -0.3515 1.30

9、 -0.4267 1.50 -0.4927 1.75 -0.5690 1.95 -0.6333 表 1.勵磁電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系數(shù)據(jù)由以上數(shù)據(jù)得出勵磁電流和磁場關(guān)系圖如下法拉第效應(yīng)實驗報告圖 2.勵磁電流與磁感應(yīng)關(guān)系圖分析： 由上圖所示， 磁感應(yīng)強(qiáng)度b與勵磁電流i 基本上呈線性關(guān)系， 并且滿足b=0.322i+0.0087的數(shù)學(xué)關(guān)系。測定 zf6和 mr3 玻璃的b關(guān)系曲線測定 zf6玻璃的b關(guān)系曲線下表所示為利用消光法測量得到的b 關(guān)系數(shù)據(jù)，其中角度的單位為度。表 2 zf6的 b 關(guān)系數(shù)據(jù)由表二中數(shù)據(jù)，將角度轉(zhuǎn)化為弧度制，繪制如下zf6玻璃的b 關(guān)系曲線磁感應(yīng)強(qiáng)度 b（t）未放樣品時檢偏器

10、角度放入樣品時檢偏器角度加樣品后的平均角度旋轉(zhuǎn)角0.0758 77.67 78.34 78.3 78.38 78.34 0.67 0.1375 77.67 78.67 78.64 78.7 78.67 1 0.2029 77.67 79.17 79.2 79.14 79.17 1.5 0.2889 77.67 79.83 79.88 79.9 79.87 2.2 0.3515 77.67 80.33 80.3 80.36 80.33 2.66 0.4267 77.67 80.9 80.88 80.92 80.9 3.23 0.4927 77.67 81.47 81.44 81.5 81.47

11、3.8 0.5690 77.67 82.1 82.13 82.07 82.1 4.43 0.6333 77.67 82.6 82.63 82.57 82.6 4.93 0.7227 77.67 83.17 83.1 83.24 83.17 5.5 法拉第效應(yīng)實驗報告圖 3. zf6玻璃的b關(guān)系曲線分析 :由上圖可以看出b 的關(guān)系基本上呈線性關(guān)系。實驗中線偏振光的偏振方向和產(chǎn)生磁場的電流的旋轉(zhuǎn)方向一致，根據(jù)上面原理定義為右旋。由上圖可知k=0.1345,k 的物理意義是費爾德常數(shù)v 和樣品厚度l 的乘積，即k=vl （18）實驗測量得到l=0.80cm=0.008m，帶入式（ 18）得費爾德常數(shù)

12、v=0.1345/0.0080/(t.m)=16.8/(t.m) 誤差分析：實驗過程中，勵磁電流計讀數(shù)有一定的誤差；消光法測量時光電流反應(yīng)不夠靈敏，最小值不夠準(zhǔn)確，導(dǎo)致對于的檢偏器角度讀取有誤差；光路不夠滿足實驗要求，精度不夠?qū)е聹y量不準(zhǔn)確；讀數(shù)有一定誤差將角度轉(zhuǎn)化位弧度制4 舍 5 入導(dǎo)致一定的誤差。綜合導(dǎo)致測量點不再一條直線上。測定 mr3 玻璃的b 關(guān)系曲線下面是利用倍頻法測量得到的mr3 玻璃的b 關(guān)系數(shù)據(jù)，其中角度的單位全部為度磁感應(yīng)強(qiáng)度 b（t）未加樣品時的角度加樣品后的角度平均角度旋轉(zhuǎn)角0.0758 77.67 76.3 76.36 76.33 76.33 -1.34 0.137

13、5 77.67 72.83 72.8 72.86 72.83 -4.84 0.2029 77.67 70.84 70.93 70.93 70.9 -6.77 0.2889 77.67 68.1 68.13 68.16 68.13 -9.54 0.3515 77.67 65.67 65.7 65.64 65.67 -12 0.4267 77.67 63.67 63.6 63.65 63.64 -14.03 0.5950 77.67 60.67 60.64 60.7 60.67 -17 0.5690 77.67 58.07 58.1 58.13 58.1 -19.57 法拉第效應(yīng)實驗報告0.636

14、7 77.67 55.9 55.97 55.83 55.9 -21.77 0.7227 77.67 53.33 53.3 53.36 53.33 -24.34 表 3. mr3 玻璃的b 關(guān)系數(shù)據(jù)由以上數(shù)據(jù)繪制的mr3 玻璃的b關(guān)系曲線如下圖所示圖 4. mr3 玻璃的b關(guān)系曲線分析：由上圖可知，mr3 玻璃的b 關(guān)系基本是線性關(guān)系。根據(jù)上面原理定義，mr3 玻璃的法拉第旋光性為左旋。式中的k=-0.6127，其物理意義為mr3 玻璃的費爾德常數(shù)v 和玻璃的厚度的乘積，則得到v=k/l （19）實驗測量得到l=0.6cm=0.006m，所以v=-0.6127/0.006/（t.m）=-102.

15、1/(t.m) 誤差分析與上面的zf6的誤差基本一樣。區(qū)分法拉第旋光與自然旋光本次實驗主要利用倍頻法驗證了mr3 玻璃的法拉第旋光性的非互易性勵 磁 電 流i/a 未 加 樣 品時角度兩 次 通 過樣 品 時 角度旋光角一 次 通 過 樣 品時旋光角未加樣品時兩次通過磁場角度0.2 94 91.33 -2.67 -1.33 94 0.4 94 85 -9 -4.5 94 0.6 94 80.5 -13.5 -6.77 94 分析：由以上數(shù)據(jù)可以得出，自然旋光兩次通過光路后旋光角為0，具有可逆性。當(dāng)光兩次通過 mr3 玻璃后，旋光角大約是相同磁場單程通過時的兩倍，說明旋光角加倍，即說明法拉第旋光時不同于自然旋光的不可逆的過程，證明法拉第