В чем заключается эффект фарадея

Магнитное вращение плоскости поляризации. Вывод рабочей формулы

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

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

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 :

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

Из уравнений (4) и (5) выразим

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

Это рабочая формула для определения угла магнитного вра­щения плоскости поляризации.

2. Описание экспериментальной установки.

Установка для изучения магнитного вращения плоскости поляризации (рис.2), состоит из полутеневого сахариметра COK-I (включающего: 1 – осветительную лампу; 2 – светофильтр; 3 – объектив; 4 – поляризатор; 5 – кварцевую пластину; 6 – кювету с раствором; 7 – анализатор; 8 – окуляр), соленоида (9), переключателя (10), выпрямителя (11), амперметра, вольтметра.

Для наблюдения вращения плоскости поляризации трубка с сахарным раствором помещена в соленоид, расположенный между скрещенными поляризатором и анализатором (николями).

Поле зрения между николями, «поставленными на темноту», просветляется. Чтобы добиться полного гашения света, нужно анализатор повернуть вокруг луча на угол , равный углу вращения плоскости поляризации. Когда поле зрения окуляра равномерно затемнено рис. 4в, измеряем угол по шкале рис. 3.

Внизу находится основная шкала (в градусах). Сверху расположена шкаланониуса, цена деления которого составляет деся­тую долю градуса. На данной шкале ведется отсчетположитель­ного (вращение по часовой стрелке), и отрицательного (против часовой стрелки) угла поворота плоскости поляризации. Показан отчет положительного угла

Техника безопасности:

1. Напряжение 220В на схему подается через шнуровой провод от розетки.

2. При проведении опыта схема включается под напряжение путем нажатия на кнопку «Пуск» только на время установки режима и снятия показаний.

3. Переключать ток ТОЛЬКО ПРИ ВЫКЛЮЧЕННОЙ КНОПКЕ «Пуск».

3. Порядок выполнения лабораторной работы:

Исследование зависимости угла вращения плоскости поляризации от индукции магнитного поля.

1. Трубка с раствором сахара установлена в соленоиде и не извлекается из него.

2. Включить источник света, вращая оправу окуляра зрительной трубы, установить максимальную резкость изображения таким образом, чтобы четко были видны: вертикальная линия, разделяющая поле зрения на две половины; штрихи и цифры шкалы и нониуса.

3. Переключателем замкнуть цепь соленоида. Установить ток в цепи 1А — в соленоиде возникнет магнитное поле, про­изойдет магнитное вращение плоскости поляризации. Наблюдая в окуляр и вращая анализатор вокруг оптической оси, мы увидим поля разной освещенности (рис.4а,б). Продолжая вращать анализатор добиться равномерного затемнения полей (рис.4в). Сделать отсчет угла . Повторить измерения три раза.

4. Изменить направление магнитного поля в соленоиде, установив переключатель в противоположное положение, сделать отсчет угла .

5. Вычислить угол магнитного вращения плоскости поляризации по формуле (7).

6. Изменяя силу тока в цепи соленоида от I A до 4,5 А (с шагом 0,5 А), произвести измерение угла магнитного вращения плоскости поляризации при каждой силе тока (в соответствии с пп.4-6). Результаты измерения занести в таблицу.

7. Вычислить индукцию магнитного поля соленоида при всех значениях силы тока по формуле:

где — магнитная постоянная, — сила тока; — число витков длина соленоида.

8. Вычислить относительную погрешность и доверительный интервал по формулам:

9. Построить гра­фик зависимости .

10. Определить постоянную удельного магнитного вращения (постоянную Верде) сахарного раствора по формуле:

, где -напряжённость магнитного поля.

11. Вычислить относительную погрешность и доверительный интервал по формулам:

Контрольные вопросы

1. В чем заключается явление поляризации?

2. Какой свет на­зывается плоскополяризованным, поляризованным по кругу, эллип­тически поляризованным?

3. В чем заключается явление оптической активности?

4. Каким соотношением определяется угол поворота плоскости поляризации в веществе?

5. В чем заключается эффект Фарадея? Какова его физическая природа?

6. Поляризованный свет проходит сквозь прозрачное вещество, находящееся в продольном магнитном поле, отражается от зеркала ивозвращается обратно, проходя магнитное поле в проти­воположном направлении. Будет ли при этом угол поворота поляризации удваиваться или же поворот ликвидируется?

7.Опишите методику измерений. Как определять концентрацию сахарозы в исследуемом растворе по результатам измерений? Как вычислить погрешность измерений?

Рекомендуемая литература

1. Савельев И.В. Курс общей физики (т.3). М.: Наука, СПб.: Лань, 2006.

2. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высш. Шк., 2004.

3. Федосеев В. Б. Физика,- Ростов н/Д: Феникс, 2009

4. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. -М.: Наука, 2006

№	I	φ1	φ2	B	ΔB
—	A	град	град	град	Тл	Тл
1,0
ср
1,5
ср
2,0
ср
2,5
ср
3,0
ср
3,5
ср
4,0
ср
4,5
ср

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

МАГНИТНОЕ ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ (ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ):

Методические указания к лабораторной работе №17 по физике

Редактор А. А. Литвинова

Объем Офсет. Формат

Бумага тип № Заказ № Тираж Цена

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия:

344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Основные магнитооптические эффекты.

К магнитооптическим явлениям относится группа явлений связанных со свойствами электромагнитного излучения в телах, помещенных в магнитное поле.

Прежде всего это эффект Фарадея; при распространении в веществе линейно поляризованного света вдоль силовых линий магнитного поля наблюдается поворот плоскости поляризаций. Угол поворота, пропорционален длине пути света в веществе и напряженности магнитного поля; естественно, что он зависит также от свойств вещества, частоты света оптически активные вещества под действием магнитного поля приобретают дополнительную способность вращать плоскость поля­ризации, складывающиеся с их естественной способностью. Как обычно, возможные применения вытекают из физической сути эффекта: управление поворотом плоскости поляризации с помощью магнитного поля или же измерение магнитных полей по углу поворота.

Частным случаем эффекта Фарадея является магнитооптический эффект Керра — при отражении под любым углом, в том числе и по нормали поверхности, линейно поляризованного света от намагниченного, ферромагнетика возникает эллиптически поляризованный свет. Фактически магнитооптический эффект Керра — это вращение плоскости полимеризации в тонком поверхностном слое ферромагнетика.

Существует еще ряд магнитооптических явлений. Так при распространении света в веществе перпендикулярно приложенному магнитному полю также возни­кает явление двойного лучепреломления со всеми вытекающими следствиями (эффект Коттон-Мутона). Этот эффект очень мал по величине; надёжно измерить его удалось в некоторых жидкостях (бензол, ацетон), стеклах и коллоидах.

Механизм всех магнитооптических явлений тесно связан с механизмом прямого и обращенного эффекта Зеемана.

Прямой (обращенный) эффект Зеемана состоит в расщеплении спектральных линий испускаемого (поглощаемого) излучения, если испускающие (поглощающее) вещество находится в магнитном поле. Эффект Зеемана обусловлен расщеплением энергетических уровней атомов или молекул в магнитном поле; его полная теория изложена в любом курсе квантовой механики. Эффект Зеемана изучается с целью понять законы квантовых систем типа атомы, методы — спектральные. Механизм эффекта Фарадея, по сути дела, обусловлен обращенным эффектом Зеемана.

Магнитооптические эффекты разделяют на две группы:

· возникающие при прохождении света через намагниченное вещество: эффекты Фарадея, Коттона — Мутона (Фохта);

· проявляющиеся, при отражении света от поверхности магнетика: эффекты Керра.

Эффекты Фарадея, Коттона — Мутона состоят во вращении плоскости поляризации и появлении эллиптичности при прохождении линейно поляризованного света через намагниченное вещество. В случае эффекта Фарадея, волновой вектор падающей волны k параллелен вектору намагниченности M, в случае эффекта Коттона — Мутона k перпендикулярен M. Аналогично, в зависимости от взаимного положения плоскости падения световой волны, направлением намагниченности и нормалью к поверхности образца различают три вида эффекта Керра:

· полярный эффект Керра (ПЭК), вектор M перпендикулярен к границе среды и параллелен плоскости падения света

· меридиональный эффект Керра (МЭК), вектор M параллелен плоскости падения света и поверхности раздела

· экваториальный эффект Керра (ЭЭК), вектор M параллелен поверхности раздела и перпендикулярен плоскости падения света.

В случае ПЭК, МЭК (продольные явления) эффект заключен во вращении плоскости поляризации и появлении эллиптичности при отражении линейно поляризованного света от поверхности образца. Продольные эффекты и эффект Фарадея обусловлены различием показателей преломления в намагниченной среде право и лево циркулярно поляризованного света. Эффект Коттона—Мутона возникает из-за различия показателей преломления двух линейно поляризованных компонент светового излучения, поляризованных параллельно и перпендикулярно намагниченности. ЭЭК наблюдается лишь в поглощающих материалах и проявляется в изменении интенсивности и сдвиге фазы линейно поляризованного света от поверхности образца(по сравнению со случаем M=0). Все вышеперечисленные эффекты являются линейными по намагниченности.

Магнитооптические эффекты

Эффект Фарадея.

Этот эффект был открыт в 1845 году. Открытие магнитооптического эффекта долгое время имело значение в чисто физическом аспекте, но за последние десятилетия оно дало много практических выходов. Принципиальная схема устройства для наблюдения и многих применений эффекта Фарадея показана на рис. 4.5.1.

Схема состоит из источника света, поляризатора, анализатора и фотоприемника. Между поляризатором и анализатором помещается исследуемый образец. Угол поворота плоскости поляризации отсчитывается по углу поворота анализатора до восстановления полного гашения света при включенном магнитном поле.

Интенсивность прошедшего пучка определяется законом Малюса

На этом основана возможность использования эффекта Фарадея для модуляции пучков света. Основной закон, вытекающий из измерений угла поворота плоскости поляризации , выражается формулой

где — напряженность магнитного поля,

— длина образца, полностью находящегося в поле

— постоянная Верде, которая содержит в себе информацию о свойствах, присущих исследуемому образцу, и может быть выражена через микроскопические параметры среды.

Рис. 4.5.2. Проявление магнитооптического эффекта Фарадея.

Основная особенность магнитооптического эффекта Фарадея состоит в его не взаимности, т.е. нарушении принципа обратимости светового пучка. Опыт показывает, что изменение направления светового пучка на обратное /на пути «назад»/ дает такой же угол поворота и в ту же сторону, как на пути «вперед». Поэтому при многократном прохождении пучка между поляризатором и анализатором эффект накапливается. Изменение направления магнитного поля, напротив, изменяет направление вращения на обратное. Эти свойства объединяются в понятии «гиротропная среда».

Интерес к этому эффекту обусловлен применением в физике, оптике и электронике, для таких задач, как:

— определение эффективной массы носителей заряда или их плотности в полупроводниках;

— амплитудная модуляция лазерного излучения для оптических линий связи и определение времени жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках;

— изготовление оптических невзаимных элементов;

— визуализация доменов в ферромагнитных пленках;

— магнитооптическая запись и воспроизведение информации как в специальных, так и бытовых целях.

4.5 .2 Эффект Коттона – Мутона.

Эффект Коттона – Мутона — один из эффектов магнитооптики, заключающийся в возникновении линейного двойного лучепреломления в среде, помещённой во внешнее магнитное поле, при распространении света перпендикулярно полю. В применении к кристаллическим системам. Его часто называют эффектом Фохта. Впервые был обнаружен в коллоидных растворах Дж. Керром (J. Кегг, 1901), далее подробно исследован Э. Коттоном (A. Cotton) и А. Мутоном (Н. Mouton, 1907), а в кристаллах — В. Фогтом (W. Voigt). Эффект Коттона – Мутона является следствием взаимодействия магнитного поля с токовыми (локализованными или делокализованными) системами (электроны в атоме, носители заряда в полупроводниках), определяющими исходные оптических свойства вещества, и поэтому обнаруживается во всех материальных средах. Подобно др. эффектам индуцированной линейной анизотропии (пьезооптическому, электронно-оптическому), Эффект Коттона – Мутона экспериментально регистрируется по возникновению эллиптичности прошедшего через среду линейно поляризованного светового пучка с плоскостью поляризации, составляющей обычно угол 45° с направлением приложенного поля (см. Керра эффект). Под действием магнитного поля первоначально изотропная среда превращается в оптически одноосную (гиротропность среды в такой геометрии магнитного поля можно не учитывать) с показателями преломления обыкновенного и необыкновенного лучей п0 и пе.В результате ортогональные компоненты вектора напряжённости электрического поля световой волны, проходящей через среду, испытывают разные фазовые сдвиги и, складываясь на выходе из среды, образуют эллиптически поляризованный свет, степень эллиптичности которого определяется указанной разностью фаз. Знак индуцированной разности фаз не зависит от направления приложенного магнитного поля и, следовательно, зависимость наведённого двупреломления должна определяться лишь чётными степенями напряжённости поля Н. В подавляющем большинстве случаев оказывается возможным ограничиться квадратичным по H членом:

Δ _λ — разность хода лучей, выраженная в длинах волн, l — длина пути света в веществе, Δ _λ — длина световой волны в вакууме). Константа С называется постоянной Коттона — Мутона и зависит от природы среды, длины волны излучения и температуры.

Рис 4.5.3. Проявление эффекта Коттона-Мутона

Эффект Коттона – Мутона тесно связан с другими магнитооптическими явлениями. В частности, вместе с эффектом магнитного линейного дихроизма — индуцированного магнитным полем различия коэффициентов поглощения для двух линейных поляризаций

Эффект Коттона – Мутона можно рассматривать как единый эффект магнитно линейной анизотропии с учётом комплексности показателя преломления среды

Δn= (пе-пa)+i(ke-k0)= Δп+i Δk (4.5.5)

При этом функции Δп(ω) и Δk(ω), описывающие спектральный ход линейного двупреломления и дихроизма (ω — частота излучения), связаны между собой дисперсионными соотношениями, аналогичными Крамерса — Кронига соотношениям.Как известно, подобная же связь существует между магнитооптическими эффектами циркулярной анизотропии — эффектом Фарадея и магнитным круговым дихроизмом.

Эффект Коттона – Мутона по величине обычно мал и поэтому не находит широкого применения. Исключение составляют магнитоупорядоченные кристаллы, в которых эффект Коттона – Мутона функционально связан не с напряжённостью внешнего магнитного поля, а с намагниченностью подрешёток кристалла и может достигать чрезвычайно больших значений. Так, например, в ферромагнитном кристалле EuSe величина магнитно линейного двупреломления Δn достигает 1,5*10 -2 .

Значительной величина эффекта Коттона – Мутона может быть также в конденсированных парамагнетиках вблизи линий поглощения при наличии разрешённой картины зеемановского расщепления.

Эффект Коттона – Мутона используют для измерений анизотропии диамагнитности восприимчивости молекул, изучения структуры примесных центров и магнитных свойств электронных оболочек.

Эффект Керра.

Магнитооптический эффект Керра — один из эффектов магнитооптики, влияние намагниченности среды на интенсивность и поляризацию света, отражённого от её поверхности. Достаточную для измерения величины магнитооптического эффекта Керра имеют вещества, обладающие большой намагниченностью и высоким коэффициентом поглощения, поэтому эффект наблюдается главным образом при отражении света от металлических ферромагнетиков.

В зависимости от ориентации вектора намагниченности относительно отражающей поверхности и плоскости падения светового пучка различают три вида магнитооптического эффекта Керра: полярный, меридиональный и экваториальный. При полярном эффекте вектор намагниченности j направлен перпендикулярно отражающей поверхности и параллельно плоскости падения (рис. 4.5.4, а), влияние намагниченности сводится к вращению плоскости поляризации и появлению эллиптичности отражённого от поверхности магнетика линейно поляризованного света. Аналогичные поляризационые проявления характерны для меридионального магнитооптического эффекта Керра соответствующего расположению вектора намагниченности параллельно отражающей поверхности магнетика и плоскости падения светового пучка (рис. 4.5.4, б). Если плоскость поляризации падающего линейно поляризованного света составляет некоторый угол с плоскостью падения (отличный от 0° и 90°), то оба эффекта проявляются также в линейных по намагниченности изменениях интенсивности отражённого света. Общим для полярного и меридионального эффектов является наличие не равной нулю проекции волнового вектора k световой волны на направление намагниченности среды j. Это обстоятельство определяет феноменологическое сходство полярного и меридионального эффекта Керра с эффектом Фарадея, наблюдающимся при прохождении света через намагниченную среду вдоль направления намагниченности, и позволяет отнести их к продольным магнитооптическим эффектам.

Рис. 4.5.4. Магнитооптический эффект Керра: а — полярный, б — меридиональный, в — экваториальный; j — вектор намагниченности, k — волновой вектор.

Экваториальный магнитооптический эффект Керра наблюдается при расположении вектора намагниченности перпендикулярно плоскости падения и параллельно плоскости отражения (рис. 4.5.4, в); проявляется в изменении интенсивности и фазового сдвига линейно поляризованного света, отражённого намагниченной средой. Отсутствие проекции волнового вектора на направление намагниченности среды объединяет экваториальный эффект Керра с другим поперечным магнитооптическим эффектом, наблюдающимся при прохождении света через намагниченную среду в направлении, перпендикулярном намагниченности — эффектом Коттона — Мутона. Однако, в отличие от квадратичного эффекта Коттона — Мутона, экваториальный эффект Керра является линейным по фазовым и амплитудным изменениям в отражённом свете в зависимости от намагниченности. Это позволяет использовать экваториально намагниченные зеркала в качестве невзаимных элементов оптич. устройств.

При изменении направления вектора намагниченности от поперечного (экваториального) к продольному (меридиональному) наблюдается также т. н. ориентационный магнитооптический эффект, квадратичный по намагниченности, регистрируемый по изменению интенсивности отражённого света.

Этот эффект применяется при исследовании свойств и структуры магнитных кристаллов в отражательной геометрии. Магнитооптический эффект Керра тесно связан с другими эффектами магнитооптики и в общем виде может быть интерпретирован как результат воздействия магнитного поля на диэлектрические и магнитные характеристики среды на оптических частотах. В простейшем случае изотропной среды (или кубического кристалла), помещённой в постоянном магнитном поле, эти свойства описываются антисимметричными тензорами диэлектрической ε_ik и магнитной μ_ik проницаемости:

(4.5.6)

-где комплексные магнитооптические параметры М и М’ пропорциональны намагниченности среды и ответственны за её гиротропные свойства. В зависимости от того, каким из магнитооптических параметров (М или М’) обусловлена гиротропия среды; среда называется соответственно гироэлектрической или гиромагнитной. При отличии от нуля обоих магнитооптических параметров среду называют бигиротропной. В продольных геометриях эффекта Керра параметры М и М’ входят в величину эффекта аддитивно, что не позволяет с их помощью отличить гироэлектрическую среду от гиромагнитной. Разделение вкладов параметров М и М’ в гиротропию среды возможно при использовании поперечного (экваториального) эффекта Керра.

Достаточно полно феноменологически магнитооптический эффект Керра можно описать на основе классических уравнений Максвелла с учётом комплексного показателя преломления среды, характеризуемой приведёнными выше тензорами. Идентификация микроскопических механизмов, объясняющих влияние намагниченности среды на её оптические свойства, требует привлечения строгого квантово-механического подхода, учитывающего воздействие поля на энергетическую структуру и волновые функции зонных и локализованных электронных состояний магнетика.

Магнитооптический эффект Керра широко применяется при исследованиях электронной структуры ферромагнитных металлов и сплавов, доменной структуры ферромагнетиков, а также при изучении структуры поверхностного слоя полированного металла. Зависимость величины эффекта Керра от оптических характеристик прилегающей к поверхности магнетика среды позволяет во многих случаях существенно повысить величину эффекта и контраст наблюдаемой картины нанесением на исследуемую поверхность тонкого слоя прозрачного диэлектрика.

Эффект Зеемана.

Зеемана эффект, расщепление уровней энергии и спектральных линий атома и других систем в магнитном поле. Под действием магнитного поля уровни энергии расщепляются на зеемановские подуровни; при переходах между подуровнями уровней ei и ek вместо одной спектральной линии появляется несколько поляризованных компонент. Для одиночных спектральных линий в направлении, перпендикулярном направлению напряженности магнитного поля Н, наблюдается зеемановский триплет — несмещенная относительно первичной линии p-компонента, поляризованная в направлении Н, и две симметричные относительно нее s-компоненты, поляризованные перпендикулярно Н (простой, или нормальный, Зеемана эффект, рис. 4.5.5).

Рис. 4.5.5 . а — без поля (n0 — частота, соответствующая исследуемой неполяризованной спектральной линии);

b — зеемановский триплет (направление наблюдения перпендикулярно полю);

c — s- компоненты (при наблюдении вдоль поля).

Стрелками показано направление поляризации n1 и n2 — частоты s-компонент.

Зеемана эффект применяется в спектроскопии и в устройствах квантовой электроники, в частности, для измерения напряженностей слабых магнитных полей в лабораторных условиях и в космосе.

Билет 22. Оптическая активность. Эффект Фарадея.

Оптическая активность – способность некоторых веществ вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через них света. Оптическая активность бывает двух видов: естественная и искусственная.

Естественной оптической активностью называют способность вещества поворачивать плоскость поляризации прошедшего через него света. Величина угла поворота зависит от длины волны света, т. е. имеет место вращательная дисперсия. Кроме того, этот угол пропорционален толщине слоя вещества.

Искусственная (наведенная) оптическая активность возникает в магнитном поле.

Теория Френеля звучит, что явление вращения поляризации сводится к особому типу двойного лучепреломления: причиной вращения является различие в скорости распространения левого и правого циркулярно поляризованного света.

Эффект Фарадея заключается в том, что в магнитном поле первоначально неактивное вещество становится оптически активным. При распространении света в веществе вдоль вектора напряженности магнитного поля плоскость поляризации световой волны вращается.

Угол поворота плоскости поляризации равен ,, где V-постоянная Верде, l-длинна активной среды, H-Напряженность магнитного поля на оси соленоида.

ОПТИЧЕСКАЯ АНИЗОТРОПИЯ это различие оптич. св-в среды в зависимости от направления распространения в ней оптического излучения (света) и его поляризации.

Изотропия — физ. Одинаковость физических свойств тела, газа или жидкости по всем направлениям.

Искусственная оптическая анизотропия может быть создана в кристаллах и изотропных средах под действием внешнего электрического или магнитного поля либо путем механического воздействия.

Эффект Кeppa — явление, возникновение двойного лучепреломления в оптически изотропных веществах, например жидкостях и газах, под воздействием однородного электрического поля.

Тепловым называют электромагнитное излучение, которое испускают нагретые тела за счет своей внутренней энергии. Тепловое излучение уменьшает внутреннюю энергию тела, и, следовательно, его температуру.

Согласно закону Кирхгофа, отношение спектральной плотности энергетической светимости к спектральной поглощательной способности не зависит от природы тела. Оно является для всех тел универсальной функцией частоты и температуры: .

испускательная способность абсолютно черного тела, поглощательная способность , спектральная плотность энергетическая светимость.

Закон Стефана-Больцмана. Если объемная плотность энергии плоской волны равна u, то объемная плотность импульса . По этой причине равновесное излучение оказывает давление на стенки полости. Это давление не зависит от материала стенки и равно одной трети плотности энергии излучения . (7)

Отсюда получаем для объемной плотности энергии формулу ,
а для энергетической светимости абсолютно черного тела выражение . (9)
Соотношение (9) носит название закона Стефана-Больцмана.

Формула Рэлея-Джинса. Исходя из классической теории о равном распределении энергии по степеням свободы, и представляя тело как набор осцилляторов, получим следующую формулу для испускательной способности: . (15)
Равенство (15) называется формулой Рэлея-Джинса. Она дает достаточно хорошее согласие с экспериментом при малых w. Полная объемная плотность излучения имеет бесконечно большое значение . Этот недопустимый результат получил название ультрафиолетовой катастрофы.

Закон вина: испускательная способность черного тела имеет вид .

Согласно первому – закону смещения Вина , (11)
где – постоянная Вина.

Согласно второму закону Вина максимум испускательной способности абсолютно черного тела возрастает пропорционально пятой степени абсолютной температуры .Закон смещения Вина объясняет, почему при нагревании тел они светятся сначала красным светом, переходя затем к белому калению.

Формула планка. . (18)

Формула точно согласуется с экспериментальными данными во всем интервале частот и дает исчерпывающее описание равновесного излучения.

ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ

В 1845 году Майкл Фарадей обнаружил, что линейно поляризованный свет, распространяющийся вдоль постоянного магнитного поля в веществе, испытывает вращение плоскости поляризации. Это открытие стало первым доказательством прямой связи оптических и электромагнитных явлений. Сам Фарадей писал: «Мне удалось намагнитить и наэлектризовать луч света и осветить магнитную силовую линию».

Эффект Фарадея объясняется тем, что оптические свойства намагниченного вещества нельзя охарактеризовать одним показателем преломления n. Под действием магнитного поля показатели преломления n + и n — для циркулярно право- и левополяризованного света становятся различными. Вследствие этого право- и левополяризованные составляющие линейно поляризованного света распространяются вдоль магнитного поля через вещество с разными фазовыми скоростями. Возникает разность их хода, линейно зависящая от длины пути. В результате плоскость поляризации монохроматического света с длиной волны l, прошедшего в среде путь l, поворачивается на угол θ = pl(n + — n_—)/l. В слабых магнитных полях разность (n + -n_—) линейно зависит от напряженности поля H и угол фарадеевского вращения описывается формулой θ = VHl, где V (постоянная Верде) зависит от длины световой волны, свойств вещества и его температуры.

Наиболее сильное вращение плоскости поляризации наблюдается в очень тонких прозрачных слоях ферромагнетиков.

См. в номере на ту же тему