法拉第效應(yīng)實驗報告完整版

1、南昌大學(xué)物理實驗報告學(xué)生姓名： 學(xué)號： 5502210039 專業(yè)班級：應(yīng)物101班實驗時間： 教師編號：t017 成績： 法拉第效應(yīng)一、 實驗?zāi)康?1.了解和掌握法拉第效應(yīng)的原理；2.了解和掌握法拉第效應(yīng)的實驗裝置結(jié)構(gòu)及實驗原理；3.測量法拉第效應(yīng)偏振面旋轉(zhuǎn)角與外加磁場電流i的關(guān)系曲線二、實驗儀器 本實驗采用fd-fz-i型法拉第-塞滿效應(yīng)綜合試驗儀，儀器結(jié)構(gòu)示意圖如下:三、 實驗原理1. 法拉第效應(yīng) 1845年法拉第發(fā)現(xiàn)磁場會引起磁性介質(zhì)折射率變化而產(chǎn)生旋光現(xiàn)象，即加在介質(zhì)上的磁場引起了平行于磁場方向傳播的線偏振光偏振面的旋轉(zhuǎn)，且光波偏振面偏轉(zhuǎn)角（磁致旋光角）與光在介質(zhì)中通過的長度d及介質(zhì)

2、中磁感應(yīng)強度在光傳播方向上的分量b成正比。此即為法拉第效應(yīng)。法拉第效應(yīng)在固體、液體和氣體中都存在。大部分物質(zhì)的法拉第效應(yīng)很弱，摻稀土離子玻璃的法拉第效應(yīng)稍明顯些，而有些晶體如yig等的法拉第效應(yīng)較強。同時，由于法拉第效應(yīng)弛豫時間極短，對溫度穩(wěn)定性要求低。故法拉第效應(yīng)有許多重用的應(yīng)用，如光纖通訊中的磁光隔離器、單通器，激光通訊，激光雷達(dá)等技術(shù)中的光頻環(huán)行器、調(diào)制器等，以及磁場測量的磁強計等。磁光隔離器可減少光纖中器件表面反射光對光源的干擾；磁光隔離器也被廣泛用于激光多級放大技術(shù)和高分辨的激光光譜技術(shù)，激光選模等技術(shù)中。在磁場測量和電流方面，可測量脈沖強磁場、交變強磁場、等離子體中強磁場、低溫超導(dǎo)

3、磁場、幾千-幾千kv的高壓電流等。此外，利用法拉第效應(yīng)還可研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、載流子有效質(zhì)量、能帶等。不同物質(zhì)偏振面旋轉(zhuǎn)方向可能不同。通常規(guī)定：振動面的旋轉(zhuǎn)方向和產(chǎn)生磁南昌大學(xué)物理實驗報告學(xué)生姓名： 劉惠文 學(xué)號： 5502210039 專業(yè)班級：應(yīng)物101班實驗時間： 教師編號：t017 成績： 場的螺旋線圈中電流方向一致，稱為正旋(v0)；反之，叫做負(fù)旋(v0)。對于給定物質(zhì)，其固有旋光效應(yīng)沿順光線和逆光線方向觀察時線偏振光的振動面的旋向完全相反，因此，當(dāng)光波往返兩次穿過固有旋光物質(zhì)時振動面復(fù)位。而法拉第效應(yīng)則不然，其旋轉(zhuǎn)方向僅由磁場方向決定，而與光傳播方向無關(guān)。若磁場方向不變，光線往返穿過磁致

4、旋光物質(zhì)時，法拉第轉(zhuǎn)角將加倍。利用該特性，可令光線在介質(zhì)中往返數(shù)次，從而加強旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。與固有旋光效應(yīng)類似，法拉第效應(yīng)也有旋光色散，即v隨波長而變。一束白色線偏振光穿過磁致旋光物質(zhì)，紫光振動面要比紅光振動面轉(zhuǎn)角大。2. 法拉第效應(yīng)的旋光角及其計算如圖，一束平面偏振光可看作由兩個等振幅、不同頻率的左旋和右旋圓偏振光構(gòu)成，如（圖1）。設(shè)線偏振光的電矢量為e，角頻率為，則e為左旋圓偏振光el和右旋圓偏振光er之和。通過長度d的介質(zhì)后, el和er之間產(chǎn)生相位差圖1 旋光示意圖 (1) 式中vl、tl、nl及vr、tr、nr分別為el及er通過磁場中磁性介質(zhì)時的傳播速度、時間及介質(zhì)折射率。出射介質(zhì)后的線

5、偏振光的轉(zhuǎn)角（法拉第效應(yīng)旋光角）為 (2)在磁場b中介質(zhì)中原子的電子具有勢能u,即南昌大學(xué)物理實驗報告學(xué)生姓名： 劉惠文 學(xué)號： 5502210039 專業(yè)班級：應(yīng)物101班實驗時間： 教師編號：t017 成績： 式中e為電子電荷,m為電子質(zhì)量,lb為電子的軌道角動量在磁場方向的分量。在磁場b的作用下,當(dāng)平面偏振光通過介質(zhì)時,光子與軌道電子發(fā)生相互作用,使軌道電子從基態(tài)躍遷到較高能級，并獲得角動量。躍遷后電子動能不變,而勢能增加u，即（+對應(yīng)于左旋光子；-對應(yīng)于右旋光子）由于 ，因此，在磁場作用下,能量為的左旋圓偏振光子所激發(fā)的躍遷電子的能級結(jié)構(gòu)等于無外磁場時能量為的左旋光子所激發(fā)的躍遷電子的

6、能級結(jié)構(gòu)相同。因此亦即 同理，對右旋光子，有 則 (3)將式（3）代入式（2）得 即 （4）其中南昌大學(xué)物理實驗報告學(xué)生姓名： 劉惠文 學(xué)號： 5502210039 專業(yè)班級：應(yīng)物101班實驗時間： 教師編號：t017 成績： (5)為費爾德常數(shù)，反映了介質(zhì)的特性，其值由介質(zhì)和工作波長決定。式（4）即為法拉第效應(yīng)旋轉(zhuǎn)角的計算公式。它表明法拉第旋光角的大小與樣品厚度、磁場強度成成正比，并且與入射波光波長及介質(zhì)的色散有密切關(guān)系。四、 實驗內(nèi)容1. 接通燈源，調(diào)整各個部件，使之在同一軸線上（接通電源，預(yù)熱5分鐘，使單色儀輸出單色光）（1）調(diào)節(jié)氦氖激光器使光完全通過縱向放置的電磁鐵中心的小孔；（2）調(diào)

7、節(jié)刻度盤高度，使光斑正好打在光電轉(zhuǎn)換盒的通光孔上，此時旋轉(zhuǎn)刻度盤上的旋鈕，可發(fā)現(xiàn)光度計讀數(shù)發(fā)生變化；(3) 調(diào)數(shù)顯表靈敏度旋鈕在合適位置(順時針增加，逆時針降低)。靈敏度不同數(shù)顯表數(shù)值跳動的快慢不同（注意：同一波長下選用同一靈敏度）。 (4) 將檢偏鏡測角手輪順時針旋到頭后，再逆時針旋轉(zhuǎn)兩周，按一下角度數(shù)顯表的清零按鈕，使角度顯示值為零。(5) 微動光電流數(shù)顯表的調(diào)零旋鈕，使其示值為零。(6）調(diào)節(jié)樣品測試臺，并旋動測試臺上的調(diào)節(jié)旋鈕，使樣品緩慢轉(zhuǎn)動升起，此時光應(yīng)完全通過樣品；(7) 旋動刻度盤上的按鈕，改變刻度盤內(nèi)偏振片的檢偏方向。轉(zhuǎn)動刻度盤，找到光度計示值最小時的角度（此時激光器發(fā)出的線偏振

8、光的偏振方向與檢偏方向垂直），通過游標(biāo)盤讀取此時的角度1。2. 測量法拉第效應(yīng)角(1) 開啟勵磁電源，給樣品加穩(wěn)定磁場，法拉第效應(yīng)產(chǎn)生。將勵磁電流由零增加到1a，觀察數(shù)顯表示值的變化，此時可以看到光度計讀數(shù)增大。再次轉(zhuǎn)動刻度盤，使光度計讀數(shù)最小，讀取此時讀數(shù)2 (2) 關(guān)閉激光器電源，旋下樣品，移動樣品測試臺，使磁場測量探頭正好位于磁隙中心，讀取此時的磁感應(yīng)強度測量值b，用游標(biāo)卡尺測量樣品厚度，根據(jù)公式求出樣品的費爾德常數(shù)。(3) 改變勵磁電流，在不同磁場強度測量三次，取平均值。南昌大學(xué)物理實驗報告學(xué)生姓名： 劉惠文 學(xué)號： 5502210039 專業(yè)班級：應(yīng)物101班實驗時間： 教師編號：t017 成績： 五、 實驗數(shù)據(jù)處理由實驗得到的數(shù)據(jù)，化簡旋光角、i、b的數(shù)據(jù)表格12345/分03121624b/mt2004477289761127i00.51.01.52.02012/11/26 14:29 /graph1 (2456257)linear regression for data1_b:y = a + b * xparametervalueerror-a-6.575632.21212b0.025270.00286-從origin7.5軟件分析的數(shù)據(jù)可知：南昌大學(xué)物理實驗報告學(xué)生姓名： 劉惠文 學(xué)號： 5502210039 專業(yè)班級：應(yīng)物101班實驗時間