книги из ГПНТБ / Руководство к лабораторным занятиям по физике учеб. пособие

вектор намагничения параллелен поверхности зеркала и лежит в плоскости падения (меридиональное намагничение), а в третьем случае параллелен поверхности зеркала и перпендикулярен пло­ скости падения (экваториальное намагничение).

Во всех этих трех случаях плоскость поляризации отраженного света поворачивается по отношению к плоскости поляризации па­ дающего. Угол поворота а пропорционален намагниченности и

Эффект Керра в обычных условиях очень мал, и угол а состав­ ляет несколько угловых минут, даже если зеркало намагничено до насыщения.

В предлагаемой работе магнитооптический эффект Керра исполь­ зуется для исследования доменной структуры ферромагнитной пленки, изготовленной из железоникелевого сплава. Пленка очень тонка (около 1000 А) и не может быть намагничена в направлении, перпендикулярном ее поверхности (размагничивающий фактор в этом направлении очень велик). Структура тонкой намагниченной пленки оказывается двумерной, и границы между доменами прохо­ дят пленку насквозь. Векторы намагничения доменов лежат в пло­ скости пленки и ориентированы так, что в отсутствие внешнего поля компенсируют друг друга.

Меридиональный или экваториальный эффект Керра позволяет визуально наблюдать доменную структуру. Пленка освещается поляризованным светом и наблюдается через анализатор, скрещен­ ный с поляризатором. Величина и знак поворота плоскости поля­ ризации отраженного света зависит от направления намагниченности домена (все они намагничены до насыщения и отличаются друг от друга только направлением намагниченности). При наблюдении сквозь анализатор они кажутся по-разному освещенными. Магни­ тооптический эффект Керра позволяет, таким образом, видеть гра­ ницы доменов. Он позволяет также определять направление намаг­ ниченности, наблюдая за смещением границ и за скачками Баркгаузена, происходящими в изменяющемся магнитном поле.

Описание установки. Схема устройства установки приведена на рис. 170.

Оптическая скамья состоит из двух отрезков, шарнирно соеди­ ненных друг с другом. На них установлен источник света 1 (ртут­ ная лампа высокого давления ДРШ-250), коллиматор 2, поляри­ затор 3, анализатор 4 и измерительный микроскоп 5. Ферромагнит­ ная пленка 6 расположена на оси шарнирного соединения и может вращаться & оправе. Намагничивание пленки производится при помощи катушек Гельмгольца 7, которые через потенциометр П питаются от источника постоянного напряжения. Направление тока

в катушках изменяется ключом Кі- Ток контролируется ампер­ метром А. Катушки Гельмгольца могут вращаться вокруг оси шар­

нирного соединения.

Магнитная пленка получена в вакууме путем конденсации паров железоникелевого сплава на хорошо очищенную стеклянную подложку. Испарение металла производилось с раскаленного воль­ фрамового испарителя. После напыления ферромагнитной пленки на ее поверхность был тем же методом нанесен слой диэлектрического покрытия (моноокись кремния SiO). Этот слой защищает поверх­ ность металла от повреждений и окисления. Напыление магнитной

в месте расположения образца от тока, питающего катушки Гельм­ гольца. Для этого снимите оправу с пленкой и измерьте напряжен­ ность поля при разных значениях тока в катушках при помощи милливеберметра (см. работу 36).

Постройте график зависимости Я = Я (/). График должен иметь вид прямой линии.

2. При помощи специального пускового устройства зажгите ртутную лампу. В целях безопасности лампа помещена в защит­ ный кожух.

По истечении пяти минут в лампе устанавливается стабильный режим горения и интенсивность испускаемого света становится по­ стоянной. Это время необходимо выждать.

3.Настройте коллиматор, следя за тем, чтобы пучок лучей был по возможности параллелен.

4.Установите образец так, чтобы угол падения составлял около 60°. Отраженный луч должен проходить через анализатор и попадать

в микроскоп. Добиться этого можно поворотом второго отрезка оптической скамьи вокруг шарнирного соединения.

5.В нашей установке используется меридиональный эффект Керра. Поэтому ось легкого намагничения пленки нужно располо­ жить в плоскости падения света.

6.Отрегулируйте положение катушек Гельмгольца так, чтобы плоскости катушек были перпендикулярны направлению оси лег­ кого намагничения. В этом случае внешнее поле будет параллельно направлению легкого намагничения и доменная структура оказы­ вается наиболее простой.

7.Сфокусируйте микроскоп на поверхность пленки. Микроскоп

должен иметь (5 -н 10)-кратное увеличение.

8.Вращением поляризатора и анализатора добейтесь максималь­ ного затемнения поля зрения.

9.Плавно увеличивайте ток в катушках Гельмгольца и наблю­ дайте за появлением и ростом доменов. Легкими поворотами ана­ лизатора добейтесь наибольшего контраста. В процессе наблюдения зарисуйте доменные картины, соответствующие различным значе­ ниям поля. Проведите наблюдение при возрастании и убывании поля, а также при изменении знака поля, т. е. пройдите всю кри­ вую гистерезиса образца. Отметьте значение поля, при котором границы между доменами смещаются особенно быстро.

10.Объясните, почему зарождение доменов, намагниченность которых противоположна намагничению всей пленки, начинается преимущественно вблизи краев пленки. Как по Вашим данным можно хотя бы приближенно построить кривую гистерезиса? Оце­ ните значение коэрцитивной силы и напряженности внешнего поля, соответствующего насыщению образца.

Р А З Д Е Л П Я Т Ы Й

ОПТИКА И АТОМНАЯ ФИЗИКА

Р а б о т а 58. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФОКУСНЫХ РАССТОЯНИЙ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ И ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ЛИНЗ И ПОЛОЖЕНИЯ ГЛАВНЫХ ПЛОСКОСТЕЙ СЛОЖНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Принадлежности: оптическая скамья с набором рейтеров, положительные и отрицательные линзы, сложная оптическая система, экран, осветитель, зритель­ ная труба.

Идеальной оптической системой называют систему, в которой сохраняется гомоцентричность пучков и изображение оказывается строго геометрически подобно предмету. Как показывает теория, изображение предметов с помощью идеальной оптической системы может быть построено без детального исследования хода лучей внутри системы и требует только знания фокусного расстояния и положения особых, так называемых главных, плоскостей.

Рис. 171. Ход лучей в «толстой» линзе.

Идеальная оптическая система обладает осью симметрии, кото­ рая называется главной оптической осью. Пусть ММ и N N — край­ ние поверхности, ограничивающие оптическую систему, а ОхОг — главная оптическая ось (рис. 171). Проведем луч АхВъ параллель­ ный главной оптической оси. Этому лучу соответствует луч C2D2, выходящий из системы. Ход луча внутри оптической системы нас интересовать не будет. Точка Р 2 пересечения луча C.2D., с главной оптической осью является изображением бесконечно удаленной точки (это легко показать с помощью второго луча, распространяю­ щегося вдоль главной оптической оси). Точку F2 называют задним фокусом системы (фокусом в пространстве изображений). Плоскость,

перпендикулярная 0 Х0 2 и проходящая через F2, называется фокаль­ ной плоскостью. Задний фокус оптической системы не всегда, ко­ нечно, лежит справа от нее, как это изображено на рис. 171. Так, в рассеивающих системах этот фокус может лежать слева от всех оптических поверхностей, входящих в состав системы.

Рассмотрим теперь луч А2В2, входящий в систему справа и ле­ жащий на продолжении луча А ХВХ. Слева из системы выйдет луч CXDX, сопряженный лучу А 2В2. Точку Fx называют передним фоку­ сом системы (фокусом в пространстве предметов). Исходящие из него лучи в пространстве изображений параллельны оптической оси. Продолжим теперь C1D1 и C2D2 до пересечения с продолже­ ниями А ХВХ и А 2В2 и отметим точки пересечения Rx и R2. Легко видеть, что эти точки сопряжены, т. е. являются изображением друг друга. Действительно, точка Rx лежит на пересечении лучей

Рис. 172. Построение изображений в «толстой» линзе.

А ХВХи C1D1, а точка R2 — на пересечении сопряженных им лучей C2D2 и А 2В2 (д л я большей наглядности направление одной пары сопряженных лучей, например А 2В2 и CXDX, можно изменить на противоположное, пользуясь обратимостью световых лучей). Из построения ясно, что точки R x и R2лежат на одинаковом расстоянии от главной оптической оси, т. е. RXHX= R2H2 (поперечное увели­ чение равно + 1).

Можно показать, что в идеальной системе все точки плоскости Рх, перпендикулярной главной оптической оси и проходящей через Rx, попарно сопряжены точкам плоскости Р2, также перпендикуляр­ ной главной оптической оси и проходящей через R2. При этом сопряженные точки находятся на одинаковых расстояниях от оси (например, точки Qx и Q2). Плоскости Рх и Р2называются главными плоскостями, а точки Нх и Н2 — главными точками системы. Рас­ стояния от главных точек до фокусов называются фокусными рас­

h = h = f-

Если известно положение фокусов и главных плоскостей, изо­ бражение предмета может быть найдено путем простых геометриче­ ских построений. Рис. 172 иллюстрирует эти построения.

Оптическая система называется положительной (собирающей), если передний фокус Fx лежит левее главной плоскости Ръ а задний фокус Р 2 — правее главной плоскости Р2. Если же Fx располагается правее Ръ а F2 — левее Р2, система называется отрицательной или рассеивающей. Фокусному расстоянию системы приписывается определенный знак: плюс — для собирающих систем и минус — для рассеивающих. Если определять положение предмета и изобра­ жения по их расстояниям от соответствующих главных плоскостей, то легко установить соотношение между этими расстояниями и фокусным расстоянием системы:

В формуле (1) фокусное расстояние / берется со своим знаком, ах считается положительным, если предмет лежит слева от передней главной плоскости, а а2 положительно, если изображение лежит справа от задней главной плоскости *).

Следует подчеркнуть, что главные плоскости и главные точки могут лежать как внутри, так и вне системы и при этом могут рас­ полагаться несимметрично относительно поверхностей, ограничи­ вающих оптическую систему.

Большой практический интерес представляет случай, когда размер системы в направлении главной оптической оси значительно меньше фокусного расстояния. В этом случае оптический луч, проходя внутри системы, мало смещается, так что точки С\ и Въ С2 и В2(рис. 171) практически совпадают. Главные плоскости (и глав­ ные точки Нх и Я2) при этом совмещаются друг с другом и распола­ гаются где-то посередине системы. Такая оптическая система назы­ вается тонкой линзой. Формула (1) остается, конечно, справедливой и для тонкой линзы; расстояния ах и а2 и фокусное расстояние / можно-в этом случае приближенно отсчитывать от центра линзы.

В настоящей работе измеряются фокусные расстояния тонких положительных и отрицательных линз, а также определяется фо­ кусное расстояние и положение главных плоскостей сложной опти­ ческой системы. Измерения выполняются на оптической скамье, вдоль которой могут перемещаться рейтеры с линзами, экранами, масштабами и т. п. Перед началом измерений центры всех линз нужно установить на одной высоте и проследить за тем, чтобы опти­ ческие оси линз были параллельны ребру оптической скамьи. Легко убедиться на опыте, что при слабых линзах и небольших

При употреблении терминов «передняя» и «задняя» главная плоскость сле­ дует иметь в виду, что нередко «передняя» плоскость лежит позади, а не впереди «задней» (так же, как «передний» и «задний» фокусы). В этом смысле более точны термины «главная плоскость в пространстве предметов» и «главная плоскость в пространстве изображений».

увеличениях, которые применяются в данной работе, такая уста­ новка может быть произведена на глаз.

При измерениях расстояния между деталями оптической системы отсчитываются по линейке, расположенной вдоль оптической скамьи. Отсчет производится по указателям, расположенным на основаниях рейтеров. Наводка изображения на резкость произво­ дится на глаз. Чтобы уменьшить роль возникающих при этом неточ­ ностей, измерения в каждом случае рекомендуется выполнять не­ сколько раз, а результаты — усреднять.

Применяемые в работе линзы обладают заметной хроматической аберрацией (зависимостью фокусного расстояния от длины световой волны). Точность измерений существенно повышается при работе со светофильтром.

I. Определение фокусного расстояния тонкой положительной линзы

Фокусное расстояние тонких положительных линз можно опре­ делять различными способами. Как было выяснено выше, в «при­ ближении тонкой линзы» считается, что обе главные плоскости совпадают и проходят через середину линзы. Отсчитывая положе­ ния фокуса, предмета и изображения от середины линзы, мы допу­ скаем при определении величин /, ах и аг ошибку порядка толщины стекла. Измерять фокусное расстояние тонкой линзы имеет поэтому смысл только с точностью до ее толщины. При необходимости полу­ чить более точные результаты приходится отбросить «приближение тонкой линзы» и учитывать расстояние б между главными плоско­ стями.

С п о с о б 1. Фокусное расстояние тонкой положительной линзы можно определить, исходя из формулы линзы. Для этого достаточно измерить расстояние ах и а2 и затем вычислить / по формуле (1).

При измерениях на одном конце оптической скамьи устанавли­ вают рейтер с осветителем, в окно которого вставлено матовое стекло. Вплотную к осветителю помещается светофильтр, а рядом с ним — прозрачная шкала, играющая роль предмета. На другом конце оптической скамьи устанавливают рейтер с экраном. Между экраном и предметом помещают исследуемую линзу. Перемещая линзу вдоль скамьи, получают четкое изображение предмета на экране. Затем по линейке, расположенной у основания оптической скамьи, отсчитывают расстояния аг и а2. При фиксированных положениях предмета и экрана измерения выполняются несколько раз. Затем изменяют расстояние между предметом и экраном и вновь повторяют измерения. Рекомендуется часть измерений вы­ полнить при увеличенном, а часть — при уменьшенном изображении.

Поскольку при теоретическом рассмотрении производились не­ которые упрощения, полезно проверить совместность полученных

результатов. Для этого можно, например, изобразить результаты на графике, по осям которого отложены 1 !ах и 1іаг. Если результаты опыта могут быть описаны формулой (1), то все точки должны лечь на прямую, отсекающую на осях отрезки, равные 1//. По графику (или непосредственно по результатам опыта) можно найти среднее значение фокусного расстояния. Полезно по разбросу результатов опыта оценить случайную ошибку, возникающую при однократном измерении / указанным способом, и сравнить ее с толщиной линзы. Такое сравнение позволит сделать вывод о том, целесообразно ли для исключения случайной ошибки выполнять длинную серию измерений, или можно ограничиться однократным измерением.

С п о с о б 2. При описанном выше методе оказывается сущест­ венно, чтобы указатель па рейтере линзы был расположен против

уменьшенное, в другом — увеличенное). Из соображений симмет­

Подставляя (2) в формулу линзы, найдем после несложных преобра­ зований

Для определения фокусного расстояния достаточно, таким образом, измерить расстояние L между предметом и экраном и расстояние I между двумя положениями линзы, при которых на экране полу­ чаются четкие изображения.

Измерения следует производить с линзой, которая применялась в предыдущем опыте. Опыт проводится при нескольких расстояниях L, и при каждом данном -L повторяется несколько раз. Найденное