法拉第定律实验报告..docxVIP

法拉第效应实验报告材料科学系 材料物理专业 周三A23组 实验日期 11/25-12/16实验原理1845年，英国科学家法拉第在研究光现像与电磁现象的联系时，发现平面偏振光沿着磁场方向通过磁场中的透明介质时，光的偏振面发生了旋转，其旋转的角度正比于磁感应强度及光波通过介质的路程。 这种现象叫做磁致旋光效应或法拉第效应。实个发现在物理学史上有着重要的意义，这是光学过程与电磁学过程有密切联系的最早证据。1.1在磁场介质下的旋光作用在磁场作用下，处于磁场中的物质呈现各向异性，其光轴方向为沿着磁场的方向。当一束平面偏振光沿着磁场方向通过磁场中介质的时候，在磁场B的作用下，它的电矢量的振动方向旋转了一个角度，也就是该平面偏振光的偏振面旋转了一个角度。设介质的厚度为D，的传播速度为，的传播速度为，则有，即(2)，其中为右旋偏振光的折射率，为左旋偏振光的折射率，c为真空的光速。1.2法拉第旋光角的计算在磁场B的作用下，平面偏振光通过介质时，光子与轨道电子发生交互作用，使轨道电子发生能级跃迁。跃迁时轨道电子吸收角动量，跃迁后轨道电子动能不变而是能增加，左旋光，右旋光。我们知道，介质对光的折射率是光子能量的函数，在磁场作用下，左旋光子能量为，因此(9)，同理，我们可以得到(10)，将(9)(10)式代入(2)中，得到(11)，由，得，即，这就是法拉第效应的计算公式，其中为费德尔常数，D为介质厚度，B为磁感应强度。1.3法拉效应的特性法拉第效应的旋光现象与旋光性晶体或溶液的旋光现象有明显的区别。对于旋光性晶体或溶液，当平面偏振光通过介质后被反射回来沿相反方向再度通过该介质，其出射光的偏振面仍为入射介质前的偏振状态，旋光角相消为零。而法拉第效应是不可逆的光学过程，光线往返一周，出射光的偏振面旋转角度却增加一倍。1.4实验仪器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。实验原理1、测量通电螺线圈的I-B曲线操作电磁铁电源，不改变激磁电流的方向，使其从小到大地变化，记录电流和通电螺线圈中心的磁场如下：I/AB/mT0.5134.01.0285.51.5414.52.0538.62.5650.23.0747.33.5835.04.0912.84.5981.65.01052.6观察到磁场随电流的增加而斜率变小，故利用二次曲线拟合得到图像及曲线如下：由可以看出，曲线拟合度较好，得到曲线（单位mT），但此结果与理论结果不符，于是再次拟合。由于后续的实验中，我们的电流一直在1-2A内变动，因此我们可以选取线性程度较好的0-2A内的4个点进行线性拟合，拟合结果如下由可以看到，此次一次线性的拟合程度也是不错的，拟合后得到曲线（单位mT）因此，可以看到一个有趣的现象，电磁铁的I-B曲线在电流较小是呈一次曲线，而随着电流地增大，其斜率会有减小的趋势，这个现象我们留到后文再作讨论。2、测量偏转角与B，与λ之间的关系，并求得费德尔常数φ3、使用分光计测量三棱镜的最小偏向角，并验证折射率n与波长λ的柯西经验公式首先调整分光计并观察之，记录三棱镜不同颜色光线的最小偏向角，再由公式计算出棱镜的折射率。再由柯西经验公式知，因此我们可以对进行二次曲线拟合，得到形如的式子。数据记录如下：颜色波长??(nm)最小偏向角（°）折射率n??^(?2)黄578.0262.6171.75442.993E-06绿546.0763.2421.75963.354E-06蓝491.6164.7171.77174.138E-06靛435.8566.5751.78815.264E-06紫408.8668.4581.80115.982E-06拟合结果如下：从可以看出，该曲线的拟合程度较高，拟合结果不错。二次曲线为，即。但是考虑到二次项和一次项的标准差较大，我们考虑尝试一下舍去二次项，仅仅保留一次项进行拟合。于是我们再次对数据进行一次线性拟合，拟合结果如下：从可以看出，该曲线的拟合程度也较高，拟合结果不错。一次曲线为，即，可以看出，此次的拟合结果较上次，虽然拟合度没有明显变化，但是一次项标准差却下降了许多，说明相对不确定度较小。我们可以把平面偏振光的电矢量分解为左旋偏振光和右旋偏振光的矢量合成，在磁场下通过介质时，的传播速度比慢，于是产生相位差，合成矢量则旋转成一个角度，其中(1)