法拉第效应实验报告终结版

法拉第效应实验报告 学号 姓名 实验日期 2013 年 9 月 16 日 指导教师 廖红波 摘要摘要 本实验中 我们通过磁场与电感线圈电流的对应关系来确定磁场 通过使用消光 法和磁光调制法测定了 MR3 和 ZF7 的法拉第磁致旋光效应 并测定了样品的旋光角 计算 给定条件下的费尔德常数 得到 MR3 2 的费尔德常数为 ZF7 的费尔 105 9000 德常数为 最后设计实验验证了法拉第效应的旋光非互易性 并依此区 19 0750 分自然旋光和法拉第旋光 关键词 关键词 法拉第效应 磁光调制法 消光法 费尔德常数 旋光非互易性 一 引言一 引言 19 世纪中至 20 世纪初是科学发现的黄金时期 若干种对于了解固体物理特性并揭示 其内部电子态结构有着重要意义的磁光效应现象相继被发现 1845 年 英国物理学家法拉 第 Faraday 发现了法拉第效应 法拉第效应的非旋光互易性使得它在激光技术 光纤通 信技术中获得重要应用 此次实验就是利用晶体的磁光学原理 通过消光法和磁光调制法测定 MR3 和 ZF7 晶体 的关系曲线并得出 MR3 和 ZF7 晶体的费尔德常数 区分了石英晶体自然旋光与 MR3 玻璃磁致旋光的 旋光非互易性 二 二 实验原理 实验原理 法拉第效应就是当在光的传播方向上加上一个强磁场时 平面偏振光穿过处于该磁场 中的样品后 其偏振面会偏转一个角度 实验结果表明 光的偏振面旋转的角度 F 与其 在介质中传播的距离及介质中磁感应强度在光传播方向上的分量 B B 成正比 即l 1 Fd VBl 上式中 比例系数称为费尔德常数 它由材料本身的性质和工作波长决定 表 d V 征物质的磁光特性 法拉第效应与自然旋光不同 在法拉第效应中对于给定的物质 偏振面的旋转方向只 由磁场的方向决定而和光的传播方向无关 法拉第效应是不可逆的光学过程 光线往返一 种 旋光角将倍增 这称为法拉第效应的 旋光非互易性 而自然旋光过程是可逆的 旋 光方向和光的传播方向有关 本实验中如何判定自然旋光和法拉第效应也是根据这一性质 来设计实验的 1 法拉第效应原理 一束平行于磁场方向传播的平面偏振光 表示电场强度矢量 可以看作两束等EE 幅的左旋和右旋圆偏振光的叠加 在没有外加磁场时 介质对这两种圆偏振光具有相 同的折射率和传播速度 通过距离为的介质后 两种偏振光产生的相位移相同 因此透l 过介质后平面偏振光的振动面不发生偏转 当有外加磁场存在时 由于磁场使得物质的光 学性质发生改变 左旋和右旋圆偏振光在介质中具有不同的折射率和传播速度 使得相位 移等发生变化 经典电动力学中的介质极化和色散的振子模型中加磁场后电子的运动方程 可以写成 2 2 2 根据式 2 通过假设并利用光学 电动力学 经典电子论等相关知识可以得到 3 2 令 4 2 就是前面定义的费尔德常数 为入射波的波长 为介质在无磁场时的色散 因此 4 式就是法拉第旋光角的计算公式 1 2 测量法拉第旋光角 1 消光法 利用了偏振光与检偏器垂直时光强最小即消光现象来测量 2 磁光调制倍频法 磁光调制器如图 2 所示 它利用法拉第效应使通过的平面偏振光的偏振方向做小角度 简谐振动 0sin t 那么透过检偏器 A 的光强为 I I0cos2 I0 1 cos2 2 为起偏器 P 和检偏器 A 之间的夹角 在检偏器后放置光电二极管 就可以使用示波器显示光强变化的频率 图 2 磁光调制倍频法原理图 若在图 1 中的检偏器 A 前插入一个待测样品 经过调制后的线偏振光通过样品当样品被磁 化时 偏振面由原来的 P 方向旋转角后变为 方向 并在范围内摆动 若检偏器语序通过的光的偏振方向 A 与的夹角为 则透过检偏器后的强度为 5 0 2 0 2 2 0 1 2 2 0 2 1 2 当 90 时 处于消光位置 基频信号消失 仅剩倍频信号 由 13 式得到透过 检偏器的光强为 6 1 2 0 2 0 1 2 根据样品放入前后出现倍频信号的位置 由示波器上的波形变化观察 就可得到法拉 第旋光角 三 三 实验内容实验内容 实验仪器 法拉第效应实验仪 磁光调制器 He Ne激光器 示波器 起偏器 特斯拉计 等 实验装置如图 图 3 法拉第旋光角测量装置图 实验步骤 1 测定磁场的均匀性及磁场的标定 2 测定励磁电流 I 与磁感应强度 B 的关系 作出 I B 的关系曲线 并分析实验结果 3 测定 ZF6 ZF7 和 MR3 玻璃的 B 关系曲线 利用步骤 2 得到的关系曲线 分别用消光法和倍频法测出在不同磁场 B 下 MR3 和 ZF7 的旋光角 分别作出关系曲线 对实验结果进行分析 判断样品的旋光方向 并根据样品厚度计算出费尔德常数 4 测定石英晶体自然旋光的旋向和旋光角 5 区分石英晶体自然旋光与 MR3 玻璃磁致旋光的 旋光非互易性 利用已有的实验装置 半反半透镜和全反镜 根据图 4 调整仪器 图 4 区分石英晶体自然旋光与 MR3 2 磁致旋光光路图 利用消光法分别测得在此光路下石英晶体和 MR3 玻璃的旋光角 并和关系曲线 下得到的理论值进行比较 分析石英晶体自然旋光与 MR3 玻璃磁致旋光的区别 得出 MR3 玻璃磁致旋光的 旋光非互易性 四 四 实验数据处理与实验结果 实验数据处理与实验结果 1 磁场标定 由实验数据得到 B I 关系曲线如图 5 图 5 B I 关系曲线 得到 B 与 I 的线性拟合关系式为 B 0 3009I 0 0099 1 7 2 以下的磁场大小均由该关系式确定 2 测量三条关系曲线 图 6 图 7 图 8 为将角度转化成弧度制后得到的 1 用消光法测量 ZF7 的费尔德常数 得到的 ZF7 的 B 关系曲线如图 6 图 6 消光法测得的 ZF7 的关系曲线 由图 6 得到的 与 B 的线性拟合关系式 0 1526 0 0097 2 0 9962 8 ZF7 样品的厚度为 8mm 可以得到费尔德常数大小为 9 0 1526 0 008 19 0750 观察到旋转方向与产生磁场的螺线管中电流方向一致 所以 0 法拉第旋转是左旋 的 2 用消光法测量 MR3 2 的费尔德常数 得到的 MR3 2 的 B 关系曲线如图 7 图 7 消光法测得的 MR3 2 的关系曲线 得到的 与 B 的线性拟合关系式 0 6354 0 0121 2 0 997 10 因为原测量值得到的 为负值 此图像中 各点的 取的是绝对值 相反数 MR3 2 样品的厚度为 6mm 所以可以得到费尔德常数为 0 6354 0 006 105 9000 11 观察到旋转方向与产生磁场的螺线管中电流方向相反 所以 法拉第旋转是右 0 旋的 3 用倍频法测量 MR3 2 的费尔德常数 得到的 MR3 2 的 B 关系曲线如图 8 图 8 倍频法测得的 MR3 2 的关系曲线 得到的 与 B 的线性拟合关系式 12 0 6721 0 0043 2 0 998 因为原测量值得到的 为负值 此图像中 各点的 取的是绝对值 相反数 MR3 2 样品的厚度为 6mm 可以得到费尔德常数为 13 0 6721 0 006 112 0167 观察到旋转方向与产生磁场的螺线管中电流方向相反 所以 法拉第旋转是右旋 0 的 比较 11 和 13 式可知 两种方法测得的费尔德常数稍有差异 而且倍频法得到的 图像的线性拟合要比用消光法得到的数据的线性拟合好一些 主要的误差来源是因为用消 光法读数时 最低位置不能很好的确定 4 石英晶体旋光角 表一 石英晶体的旋光角的测量 未放石英晶体样品时角 度 度 0 放入石英样品后消光时 角度 度 石英样品的旋光角 度 28 40 129 00 28 56 129 14 28 50 129 20 28 50 42 129 11 100 20 28 根据自然旋光旋向的判断规则 得到石英晶体的旋向是左旋 3 区别自然旋光效应和法拉第旋光效应 MR3 玻璃磁致旋光的旋光非互易性探究 MR3 样品在光两次透过后测量值与根据样 品的 B 曲线计算得到的一次透过后的数值比较 见表二 表二 MR3 样品在光两次透过后测量值与计算得到的一次透过后的数值比较 B T 角度测量值 度 角度计算值 度 测量值 计算值 0 3222 2312 341 80 0 2614 159 931 42 0 1915 057 631 97 0 127 915 111 54 0 053 152 591 22 石英晶体的自然旋光探究 实验数据见表三 表三 石英晶体在光两次透过后测量值与理论上的一次透过后的数值比较 未放样品时角度 度 放样品是角度 度 测量值 度 计算值 27 9328 730 800 由表二和表三的实验数据可知在 MR3 玻璃磁致旋光中 光两次透过后的旋光角并没 有互相抵消 考虑系统和读数误差的情况下大致等于两次透过的数值之和 即近似等于一 次透过的数值的 2 倍 由此可以看出法拉第旋光效应和自然旋光效应并不相同 由表三和表一的石英晶体测量得到的实验数据比较可知 当光一次透过时 角度发生 了变化 可以说明确实发生了自然旋光 当光两次透过后 旋光角的变化为 0 8 考虑 系统和读数误差的情况下 可以认为旋光角变化为 0 两次的旋光角互相抵消 从以上分析 由法拉第旋光的性质即可以区别法拉第旋光和自然旋光 4 实验数据的误差分析 1 在进行磁场标定时 使用特斯拉计放在磁场中心位置记录最大的磁场强度 但 由于是手动寻找 所以难免出现位置偏差和读数偏差 而且只读取了一组数据 因此误 差会更大 2 样品内部结构不均匀 会导致无法完全消光 并且可能导致样品的性质发生改 变 从而导致实验误差 3 使用倍频法时 由于光路并不能完全等高共轴 导致示波器的显示并不稳定 用肉眼观看的倍频位置并不准确 在使用消光法时 最小位置更加难以判断 从而导致比 较大的误差 这点在用两种方法测 MR3 样品的费尔德常数是显得尤为明显 4 在区别自然旋光和法拉第旋光时 当放上 MR3 样品后 光路会发生变化 从而 需要重新调节光路 这样也会产生导致光电二极管的位置发生改变 从而产生实验误差 5 在区别自然旋光和法拉第旋光时 由于反射镜等光路器件不理想及光路结构不 完善 将会造成往返的两偏振光之间发生交叉耦合 一定程度上破坏光路结构从而引起测 量误差 影响系统的测量准确度及稳定性 所以并没有得到严格的二倍关系 五 五 结论与建议 结论与建议 一 实验结论 本实验通过一系列测量和计算 用消光法和倍频法 测出了 MR3 2 和 ZF7 的费尔德常数 并比较了两种方法得到的实验结果的差异 分析了原因 得到实验结果如下 用消光法测得 MR3 样品的费尔德常数 ZF6 样品的费尔德常数 用 105 9000 19 0750 倍频法测得的 MR3 样品的费尔德常数为 112 0167 最后利用反射镜和半反半透镜对光路进行改进 比较了光两次通过样品时自然旋光和法拉 第旋光之间的差异 得出了法拉第旋光的 旋光非互异性 并对结果进行了简要分析 二 建议 1 本实验我们主要用到的仪器为磁光调制器和示波器 磁光调制器使原本不变的量变为周 期性变化的量 示波器使得我们可以更加直观地观察到消光位置 并准确的读数 从这点 看 如果将信号的转化和利用恰当地应用在实验研究中 将大大提高准确度和测量精度 学习实验方法和思想 提高实验研究能力 2 本实验主要用到的测量方法为倍频法和消光法 在倍频法中要想找到频率变为二倍的位 置仅仅参