МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра физики

Магнитное вращение плоскости поляризации (эффект фарадея)

Методические указания к лабораторной работе №17

по физике (Раздел «Оптика»)

Ростов-на-Дону

2011

Составители: Т.П. Жданова, В.В. Илясов, А.П. Кудря, А.Б.Гордеева

УДК 530.1

МАГНИТНОЕ ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ (ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ): Метод. указания. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2011. - 13 с.

Указания содержат краткое описание рабочей установки, методику изучения явления вращения плоскости поляризации в магнитном поле и получения зависимости угла вращения плоскости поляризации от индукции магнитного поля.

Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения при выполнении лабораторного практикума по физике (раздел «Оптика»).

Печатается по решению методической комиссии факультета «Нанотехнологии и композиционные материалы»

Научный редактор проф., д.т.н. В.С. Кунаков

© Издательский центр ДГТУ, 2011

Магнитное вращение плоскости поляризации (эффект фарадея)

Цель работы: изучение явления вращения плоскости поляризации в магнитном поле, получение зависимости угла вращения плоскости поляризации от индукции магнитного поля.

Оборудование: изме­рительная установка (состоящая из соленоида, сахариметра COK-I со шкалой Вентцке), выпрямитель, амперметр, автотрансформатор ЛАТР, переключатель, трубка с ис­следуемым веществом 5% раствором сахара.

1. Теоретическая часть.

Магнитное вращение плоскости поляризации. Вывод рабочей формулы

Линейно поляризованный свет, проходя сквозь определенные вещест­ва, называемые оптически активными, изменяет направление поляризации, причем величина этого изменения пропорциональна толщине пройденного слоя вещества. Это явление называют вращением плоскости поляризации.

Если явление наблюдается в отсутствие магнитного поля, говорят, что вещество обладает естественной оптической активностью.

Помимо того, к вращению плоскости поляризации может приводить приложение внешнего магнитного поля. В этом случае говорят о магнитном вращении плоскости поляризации.

Феноменологическое объяснение эффекта Фарадея заключается в том, что под действием магнитного поля показатели преломления для циркулярно право- и _- левополяризованного света становятся различными. Вследствие этого при прохождении через среду (вдоль магнитного поля) линейно поляризованного излучения его циркулярно лево- и правополяризованные составляющие распространяются с разными фазовыми скоростями, приобретая разность хода, линейно зависящую от оптической длины пути . В результате плоскость поляризации линейно поляризованного монохроматического света с длиной волны , прошедшего в среде путь , поворачивается на угол

. (1)

В области не очень сильных магнитных полей разность линейно зависит от напряженности магнитного поля и в общем виде угол фарадеевского вращения описывается соотношением

(2)

где - напряженность магнитного поля; - постоянная Верде, зависящая от свойств вещества, длины волны излучения и температур. Эффект Фарадея по своей природе тесно связан с эффектом Зеемана, обусловленным расщеплением уровней энергии атомов и молекул магнитным полем.

В эффекте Фарадея ярко проявляется специфический характер вектора напряженности магнитного поля . Знак угла поворота плоскости поляризации при эффекте Фарадея (в отличие от случая естественной оптической активности) не зависит от направления распространения света (по полю или против поля). Поэтому многократное прохождение света через среду, помещенную в магнитное поле, приводит к возрастанию угла поворота плоскости поляризации в соответствующее число раз. Эта особенность эффекта Фарадея нашла применение при конструировании так называемых невзаимных оптических и радиомикроволновых устройств. Эффект Фарадея широко используется в научных исследованиях.

Для усиления магнитного вращения плоскости поляризации Фарадей дополнительно увеличил расстояние , проходимое светом в веществе, заставив луч многократно от­разиться от концов исследуемого образца. Для этого концы образца серебрились (за исключением мест входа и выхода светового луча).

В данной работе исследуется вращение плоскости поляриза­ции светового луча при прохождении через оптически активное вещество, находящееся в магнитном поле. Оптически активным ве­ществом служит водный раствор сахара. Угол вращения плоскости поляризации в этом случае будет равняться сумме углов собст­венного вращения плоскости поляризации (за счет оптической ак­тивности раствора сахара) и магнитного вращения плос­кости поляризации :

(3)

Вращением плоскости главного сечения анализатора устанав­ливают одинаковую освещенность обеих половин поля-зрения. В отсутствие трубки с оптически активным веществом в соленоиде это соответствует установке нуля, т.е. отсчету .

Рис.1.

После замыкания цепи соленоида (под влиянием возникшего в нем магнитного поля) произойдет магнитное вращение плоскости поляризации, и равномерность освещенности поля зрения нару­шится. Вращением анализатора устанавливается размерность освещенности поля зрения и делается отсчет угла (рис.1) (4)

Изменив направление магнитного поля, для чего с помощью переключателя изменяется направление тока в соленоиде, дела­ют отсчет угла вращения плоскости поляризации

(5)

Из уравнений (4) и (5) выразим

(6)

Угол магнитного вращения плоскости поляризация найдем как среднеарифметическое для двух направлений магнитного поля из системы уравнений (6):

(7)

Это рабочая формула для определения угла магнитного вра­щения плоскости поляризации.